中心論題：
- 霍爾效應(yīng)傳感的物理原理。
- 霍爾效應(yīng)速度傳感器在環(huán)形磁場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用。
- 霍爾效應(yīng)速度傳感器用于葉輪檢測(cè)。
- 霍爾效應(yīng)速度傳感器在輪齒檢測(cè)檢測(cè)中的應(yīng)用。
- 采用標(biāo)準(zhǔn)的雙極和CMOS集成電路工藝制造降低成本。
- 在傳感器IC中集成了前置放大器和閥值檢測(cè)器提高靈敏度。
- 兼容TTL的邏輯輸出彌補(bǔ)霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)某些特定信號(hào)的不足。
在高度污染和在極限溫度的工作環(huán)境下，霍爾效應(yīng)設(shè)備可提供堅(jiān)固可靠且成本低廉的速度傳感產(chǎn)品，并可采用環(huán)形磁鐵、葉輪結(jié)構(gòu)和齒形結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)施，各種應(yīng)用中經(jīng)常需要測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的速度。光學(xué)編碼器通常用于需要高角度分辨率或升級(jí)速率的情況下，但某些情況下這種傳感器有些大材小用，對(duì)多數(shù)的工業(yè)、消費(fèi)產(chǎn)品、自動(dòng)設(shè)計(jì)，每軸旋轉(zhuǎn)為幾個(gè)脈沖的分辨率更為合適。
霍爾效應(yīng)速度傳感器為軸速度測(cè)量提供了堅(jiān)固的、低成本解決方案。這種傳感器以檢測(cè)磁場(chǎng)的原理工作，具有防塵、防油和防其它會(huì)造成光學(xué)傳感器嚴(yán)重故障的污染。此外，由于強(qiáng)磁場(chǎng)（超過(guò)100高斯）通常很少在自然界中存在，磁場(chǎng)速率傳感器不受偶然觸發(fā)和其它形式的干擾。
三個(gè)可以采用霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)施的最常見(jiàn)的速度傳感方案為：環(huán)形磁場(chǎng)檢測(cè)、葉輪檢測(cè)和輪齒檢測(cè)，這些方法的每一種都需要在所監(jiān)測(cè)的軸上添加特殊的檢測(cè)目標(biāo)，需要特殊類型的傳感器來(lái)檢測(cè)該目標(biāo)。本文將探討用于實(shí)施每個(gè)以上傳感方案中的目標(biāo)和傳感器的特性。
霍爾效應(yīng)傳感
選擇霍爾效應(yīng)傳感技術(shù)，而不用其它技術(shù)的一個(gè)主要原因就是硅霍爾傳感器可采用標(biāo)準(zhǔn)的雙極和CMOS集成電路工藝制造，這表明大量的信號(hào)處理電路可以集成到同一晶圓上來(lái)設(shè)計(jì)傳感器，并且霍爾傳感器能以較低的成本制造。
霍爾效應(yīng)的基本大原理是電流中的移動(dòng)電荷載體以適當(dāng)?shù)慕嵌缺徽鄣狡湓瓉?lái)的軌跡中和外部施加的磁場(chǎng)中。在金屬中，這種效應(yīng)非常小，很難測(cè)量?；魻栃?yīng)在半導(dǎo)體（如硅和砷化鎵）中雖然也很小，但足以使磁傳感器測(cè)量到1～10,000高斯范圍的磁場(chǎng)。由于半導(dǎo)體霍爾傳感器的敏感度仍然很?。?0到100µV/高斯），通常在實(shí)際應(yīng)用中還需要額外的信號(hào)調(diào)節(jié)處理。幸運(yùn)的是，許多半導(dǎo)體廠商在傳感器IC中集成了前置放大器和閥值檢測(cè)器。
環(huán)形磁場(chǎng)檢測(cè)
環(huán)形磁鐵是一個(gè)盤狀或圓形磁鐵，經(jīng)過(guò)磁化能夠產(chǎn)生交互的北極和南極。由于磁極的邊界通常沒(méi)有任何標(biāo)記，每個(gè)磁極的數(shù)量、位置和大小并不明顯，使用磁觀察膜可以看到磁極的排列圖形，當(dāng)將其放置在環(huán)形磁場(chǎng)中時(shí)，可清晰地顯示出磁極的輪廓。
從概念上講，環(huán)形磁鐵是最簡(jiǎn)單的霍爾效應(yīng)速度傳感器。環(huán)形磁鐵安裝在軸上，旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)探測(cè)器。磁探測(cè)器中的傳感器元件只能對(duì)環(huán)形磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)提供毫伏級(jí)的信號(hào)響應(yīng)，所以多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品包括板載的信號(hào)處理和接口電子器件，都提供了兼容TTL的邏輯輸出。多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品可兩種模式中的任意一種下工作：開關(guān)模式（輸出在某一特定磁極出現(xiàn)時(shí)被激活，南極消失后關(guān)閉）或鎖定模式（輸出在某一特定磁極出現(xiàn)時(shí)被激活，直到出現(xiàn)相反的磁極時(shí)關(guān)閉）。
鎖定模式運(yùn)行比開關(guān)模式的優(yōu)勢(shì)在于，可提供更一致的占空比輸出，并允許增大環(huán)形磁場(chǎng)到傳感器之間的空間。無(wú)論哪種情況，傳感器每轉(zhuǎn)都會(huì)為每個(gè)輪齒磁極的南北極對(duì)提供一個(gè)脈沖。以10個(gè)磁極的環(huán)形磁場(chǎng)為例，每轉(zhuǎn)只能產(chǎn)生五個(gè)脈沖。
葉輪檢測(cè)
環(huán)形磁鐵可實(shí)現(xiàn)易于實(shí)施的速度傳感方式，但適合的磁鐵成本卻很高。對(duì)價(jià)格比較在意且所需工作量較大的用戶，最佳的方案通常是葉輪檢測(cè)。葉輪檢測(cè)采用薄鐵目標(biāo)來(lái)屏蔽由偏磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁傳感器。當(dāng)鐵質(zhì)目標(biāo)不在時(shí)，磁場(chǎng)傳感元件可檢測(cè)到偏磁的存在。當(dāng)目標(biāo)放置在磁鐵和傳感器之間時(shí)，它將磁力線繞過(guò)傳感器。為了有效地繞過(guò)磁場(chǎng)，目標(biāo)所在區(qū)域必須比磁鐵區(qū)域和其在磁鐵和傳感器之間的中空地帶相當(dāng)。
一個(gè)葉輪檢測(cè)器的例子是Cherry VN101501。該設(shè)備封閉在一個(gè)類似很多光插斷器的外殼中。偏磁鐵在其中的一個(gè)塔狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，而傳感器元件在其它塔狀結(jié)構(gòu)中。傳感器集成了信號(hào)調(diào)節(jié)功能、提供了開關(guān)式數(shù)字輸出。由于磁鐵、傳感器和外殼設(shè)計(jì)成可適合多種目的，用戶對(duì)磁場(chǎng)改進(jìn)的需要被大大減少了。
在使用葉輪檢測(cè)器時(shí)通常會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)題，這兩個(gè)問(wèn)題通常也是用戶在試圖從光插斷器設(shè)計(jì)遷移到磁場(chǎng)葉輪設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的。首先是選擇材料的問(wèn)題，要使磁場(chǎng)葉輪有效，必須繞開磁場(chǎng)，這是使用材料的重要原則，如塑料、鋁和多數(shù)不銹鋼，都是非鐵磁體。即使材料合適，如果厚度太薄，也可能無(wú)法可靠地觸發(fā)磁場(chǎng)葉輪檢測(cè)器。第二個(gè)問(wèn)題是偏磁鐵會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生很大的機(jī)械作用力，會(huì)將其拉向所檢測(cè)缺口的方向。如果軸提供的力矩（如電機(jī)輸出）很大，通常就不會(huì)有很大問(wèn)題；但如果力矩大小不夠（如流量計(jì)），通常采用環(huán)形磁場(chǎng)感應(yīng)方案。
輪齒檢測(cè)
對(duì)于速度傳感器，普通鐵齒輪代表著最具挑戰(zhàn)類型的目標(biāo)。不幸的是，他們也是目標(biāo)的最佳材料，因?yàn)檫@些材料已經(jīng)出現(xiàn)在機(jī)械系統(tǒng)中作為功率傳輸部件。除了齒輪，輪齒傳感器還可用來(lái)檢測(cè)輪齒形狀的物體，如螺栓頭、滾子鏈和金屬?zèng)_壓件等。因?yàn)辇X輪通常未經(jīng)磁化，必須經(jīng)過(guò)在磁場(chǎng)中由傳感器組件生成的擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。有各種技術(shù)可實(shí)施多種輪齒傳感器方案，我們?cè)诖擞懻摰闹皇亲畛Ｒ?jiàn)的可用霍爾效應(yīng)技術(shù)實(shí)施的類型。
最簡(jiǎn)單的輪齒傳感架構(gòu)如圖1所示，傳感器元件放置在磁鐵表面上。當(dāng)輪齒經(jīng)過(guò)此組件的前端時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳感器元件所檢測(cè)到的磁場(chǎng)增加。當(dāng)齒根經(jīng)過(guò)傳感器前端時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度下降，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈y值水平，可以檢測(cè)到輪齒的出現(xiàn)。這種類型傳感器的主要問(wèn)題是如何確定一個(gè)適當(dāng)?shù)拈y值。采用這種方式的傳感器通常有一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥值電路，該值可根據(jù)所檢測(cè)到的磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖2顯示了從這種傳感器中所得到信號(hào)的示例。
另一種類型的輪齒傳感器為梯度檢測(cè)器。對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如汽車點(diǎn)火正時(shí)系統(tǒng)，必須知道目標(biāo)經(jīng)過(guò)傳感器的確切時(shí)間。前面討論的單元件輪齒通常無(wú)法提供良好的邊沿檢測(cè)連續(xù)性，特別是在目標(biāo)與傳感器之間的空間發(fā)生任何變化時(shí)。測(cè)量傳感器前方的梯度可明確地顯示輪齒邊沿的位置。實(shí)際的梯度很難測(cè)量，但可以減去兩個(gè)放在一起的傳感器輸出來(lái)得到最近似的值，如圖3所示。
從單個(gè)傳感器元件得來(lái)的信號(hào)外形類似于從單元件傳感器中得到信號(hào)，但在每個(gè)傳感器“看到”目標(biāo)的不同部分時(shí)會(huì)發(fā)生變形，一個(gè)信號(hào)連著另一個(gè)信號(hào)，將兩個(gè)信號(hào)相減得到梯度信號(hào)，清晰地體現(xiàn)了輪齒邊沿所在位置（圖4）。要得到高質(zhì)量的梯度信號(hào)，需要很好地匹配單個(gè)傳感器元件的敏感度和偏移值。
實(shí)施的重要問(wèn)題是在哪里設(shè)置閥值，來(lái)區(qū)別導(dǎo)入邊沿和導(dǎo)出邊沿。我們針對(duì)苛刻條件下的應(yīng)用開發(fā)了各種信號(hào)調(diào)節(jié)方案，從簡(jiǎn)單的模擬閥值檢測(cè)到精細(xì)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)于多數(shù)應(yīng)用，簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)節(jié)電路就已經(jīng)足夠了。
