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)形磁場檢測中的應(yīng)用。
- 霍爾效應(yīng)速度傳感器用于葉輪檢測。
- 霍爾效應(yīng)速度傳感器在輪齒檢測檢測中的應(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器提高靈敏度。
- 兼容TTL的邏輯輸出彌補霍爾效應(yīng)傳感器檢測某些特定信號的不足。
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)行實施，各種應(yīng)用中經(jīng)常需要測量旋轉(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速率的情況下，但某些情況下這種傳感器有些大材小用，對多數(shù)的工業(yè)、消費產(chǎn)品、自動設(shè)計，每軸旋轉(zhuǎn)為幾個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量提供了堅固的、低成本解決方案。這種傳感器以檢測磁場的原理工作，具有防塵、防油和防其它會造成光學(xué)傳感器嚴(yán)重故障的污染。此外，由于強磁場（超過100高斯）通常很少在自然界中存在，磁場速率傳感器不受偶然觸發(fā)和其它形式的干擾。
三個可以采用霍爾效應(yīng)傳感器實施的最常見的速度傳感方案為：環(huán)形磁場檢測、葉輪檢測和輪齒檢測，這些方法的每一種都需要在所監(jiān)測的軸上添加特殊的檢測目標(biāo)，需要特殊類型的傳感器來檢測該目標(biāo)。本文將探討用于實施每個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，這表明大量的信號處理電路可以集成到同一晶圓上來設(shè)計傳感器，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電荷載體以適當(dāng)?shù)慕嵌缺徽鄣狡湓瓉淼能壽E中和外部施加的磁場中。在金屬中，這種效應(yīng)非常小，很難測量?；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量到1～10,000高斯范圍的磁場。由于半導(dǎo)體霍爾傳感器的敏感度仍然很?。?0到100µV/高斯），通常在實際應(yīng)用中還需要額外的信號調(diào)節(jié)處理。幸運的是，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器。
環(huán)形磁場檢測
環(huán)形磁鐵是一個盤狀或圓形磁鐵，經(jīng)過磁化能夠產(chǎn)生交互的北極和南極。由于磁極的邊界通常沒有任何標(biāo)記，每個磁極的數(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)形磁場中時，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)時會經(jīng)過一個適當(dāng)?shù)拇艌鎏綔y器。磁探測器中的傳感器元件只能對環(huán)形磁鐵產(chǎn)生的磁場提供毫伏級的信號響應(yīng)，所以多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品包括板載的信號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)時被激活，直到出現(xiàn)相反的磁極時關(guān)閉）。
鎖定模式運行比開關(guān)模式的優(yōu)勢在于，可提供更一致的占空比輸出，并允許增大環(huán)形磁場到傳感器之間的空間。無論哪種情況，傳感器每轉(zhuǎn)都會為每個輪齒磁極的南北極對提供一個脈沖。以10個磁極的環(huán)形磁場為例，每轉(zhuǎn)只能產(chǎn)生五個脈沖。
葉輪檢測
環(huán)形磁鐵可實現(xiàn)易于實施的速度傳感方式，但適合的磁鐵成本卻很高。對價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。葉輪檢測采用薄鐵目標(biāo)來屏蔽由偏磁產(chǎn)生的磁場的磁傳感器。當(dāng)鐵質(zhì)目標(biāo)不在時，磁場傳感元件可檢測到偏磁的存在。當(dāng)目標(biāo)放置在磁鐵和傳感器之間時，它將磁力線繞過傳感器。為了有效地繞過磁場，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)。
一個葉輪檢測器的例子是Cherry VN101501。該設(shè)備封閉在一個類似很多光插斷器的外殼中。偏磁鐵在其中的一個塔狀結(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)計成可適合多種目的，用戶對磁場改進(jìn)的需要被大大減少了。
在使用葉輪檢測器時通常會遇到兩個問題，這兩個問題通常也是用戶在試圖從光插斷器設(shè)計遷移到磁場葉輪設(shè)計時出現(xiàn)的。首先是選擇材料的問題，要使磁場葉輪有效，必須繞開磁場，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，也可能無法可靠地觸發(fā)磁場葉輪檢測器。第二個問題是偏磁鐵會對目標(biāo)產(chǎn)生很大的機械作用力，會將其拉向所檢測缺口的方向。如果軸提供的力矩（如電機輸出）很大，通常就不會有很大問題；但如果力矩大小不夠（如流量計），通常采用環(huán)形磁場感應(yīng)方案。
輪齒檢測
對于速度傳感器，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，因為這些材料已經(jīng)出現(xiàn)在機械系統(tǒng)中作為功率傳輸部件。除了齒輪，輪齒傳感器還可用來檢測輪齒形狀的物體，如螺栓頭、滾子鏈和金屬沖壓件等。因為齒輪通常未經(jīng)磁化，必須經(jīng)過在磁場中由傳感器組件生成的擾動進(jìn)行檢測。有各種技術(shù)可實施多種輪齒傳感器方案，我們在此討論的只是最常見的可用霍爾效應(yīng)技術(shù)實施的類型。
最簡單的輪齒傳感架構(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)過此組件的前端時，會導(dǎo)致傳感器元件所檢測到的磁場增加。當(dāng)齒根經(jīng)過傳感器前端時，磁場強度下降，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈y值水平，可以檢測到輪齒的出現(xiàn)。這種類型傳感器的主要問題是如何確定一個適當(dāng)?shù)拈y值。采用這種方式的傳感器通常有一個動態(tài)調(diào)節(jié)閥值電路，該值可根據(jù)所檢測到的磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖2顯示了從這種傳感器中所得到信號的示例。
另一種類型的輪齒傳感器為梯度檢測器。對很多應(yīng)用來說，如汽車點火正時系統(tǒng)，必須知道目標(biāo)經(jīng)過傳感器的確切時間。前面討論的單元件輪齒通常無法提供良好的邊沿檢測連續(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。測量傳感器前方的梯度可明確地顯示輪齒邊沿的位置。實際的梯度很難測量，但可以減去兩個放在一起的傳感器輸出來得到最近似的值，如圖3所示。
從單個傳感器元件得來的信號外形類似于從單元件傳感器中得到信號，但在每個傳感器“看到”目標(biāo)的不同部分時會發(fā)生變形，一個信號連著另一個信號，將兩個信號相減得到梯度信號，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，需要很好地匹配單個傳感器元件的敏感度和偏移值。
實施的重要問題是在哪里設(shè)置閥值，來區(qū)別導(dǎo)入邊沿和導(dǎo)出邊沿。我們針對苛刻條件下的應(yīng)用開發(fā)了各種信號調(diào)節(jié)方案，從簡單的模擬閥值檢測到精細(xì)的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，對于多數(shù)應(yīng)用，簡單的信號調(diào)節(jié)電路就已經(jīng)足夠了。
