中心論題：

• 霍爾效應傳感的物理原理。
• 霍爾效應速度傳感器在環(huán)形磁場(chǎng)檢測中的應用。
• 霍爾效應速度傳感器用于葉輪檢測。
• 霍爾效應速度傳感器在輪齒檢測檢測中的應用。

• 采用標準的雙極和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，霍爾效應設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、葉輪結構和齒形結構進(jìn)行實(shí)施，各種應用中經(jīng)常需要測量旋轉軸的速度。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，對多數的工業(yè)、消費產(chǎn)品、自動(dòng)設計，每軸旋轉為幾個(gè)脈沖的分辨率更為合適。

霍爾效應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(chǎng)的原理工作，具有防塵、防油和防其它會(huì )造成光學(xué)傳感器嚴重故障的污染。此外，由于強磁場(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、葉輪檢測和輪齒檢測，這些方法的每一種都需要在所監測的軸上添加特殊的檢測目標，需要特殊類(lèi)型的傳感器來(lái)檢測該目標。本文將探討用于實(shí)施每個(gè)以上傳感方案中的目標和傳感器的特性。

霍爾效應傳感
選擇霍爾效應傳感技術(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準的雙極和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(lái)設計傳感器，并且霍爾傳感器能以較低的成本制造。

霍爾效應的基本大原理是電流中的移動(dòng)電荷載體以適當的角度被折到其原來(lái)的軌跡中和外部施加的磁場(chǎng)中。在金屬中，這種效應非常小，很難測量?；魻栃诎雽w（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(chǎng)。由于半導體霍爾傳感器的敏感度仍然很?。?0到100µV/高斯），通常在實(shí)際應用中還需要額外的信號調節處理。幸運的是，許多半導體廠(chǎng)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(chǎng)檢測
環(huán)形磁鐵是一個(gè)盤(pán)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)有任何標記，每個(gè)磁極的數量、位置和大小并不明顯，使用磁觀(guān)察膜可以看到磁極的排列圖形，當將其放置在環(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)單的霍爾效應速度傳感器。環(huán)形磁鐵安裝在軸上，旋轉時(shí)會(huì )經(jīng)過(guò)一個(gè)適當的磁場(chǎng)探測器。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(chǎng)提供毫伏級的信號響應，所以多數商業(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。多數商業(yè)產(chǎn)品可兩種模式中的任意一種下工作：開(kāi)關(guān)模式（輸出在某一特定磁極出現時(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時(shí)被激活，直到出現相反的磁極時(shí)關(guān)閉）。

鎖定模式運行比開(kāi)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(chǎng)到傳感器之間的空間。無(wú)論哪種情況，傳感器每轉都會(huì )為每個(gè)輪齒磁極的南北極對提供一個(gè)脈沖。以10個(gè)磁極的環(huán)形磁場(chǎng)為例，每轉只能產(chǎn)生五個(gè)脈沖。

葉輪檢測
環(huán)形磁鐵可實(shí)現易于實(shí)施的速度傳感方式，但適合的磁鐵成本卻很高。對價(jià)格比較在意且所需工作量較大的用戶(hù)，最佳的方案通常是葉輪檢測。葉輪檢測采用薄鐵目標來(lái)屏蔽由偏磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁傳感器。當鐵質(zhì)目標不在時(shí)，磁場(chǎng)傳感元件可檢測到偏磁的存在。當目標放置在磁鐵和傳感器之間時(shí)，它將磁力線(xiàn)繞過(guò)傳感器。為了有效地繞過(guò)磁場(chǎng)，目標所在區域必須比磁鐵區域和其在磁鐵和傳感器之間的中空地帶相當。

一個(gè)葉輪檢測器的例子是Cherry VN101501。該設備封閉在一個(gè)類(lèi)似很多光插斷器的外殼中。偏磁鐵在其中的一個(gè)塔狀結構內，而傳感器元件在其它塔狀結構中。傳感器集成了信號調節功能、提供了開(kāi)關(guān)式數字輸出。由于磁鐵、傳感器和外殼設計成可適合多種目的，用戶(hù)對磁場(chǎng)改進(jìn)的需要被大大減少了。

在使用葉輪檢測器時(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(hù)在試圖從光插斷器設計遷移到磁場(chǎng)葉輪設計時(shí)出現的。首先是選擇材料的問(wèn)題，要使磁場(chǎng)葉輪有效，必須繞開(kāi)磁場(chǎng)，這是使用材料的重要原則，如塑料、鋁和多數不銹鋼，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)葉輪檢測器。第二個(gè)問(wèn)題是偏磁鐵會(huì )對目標產(chǎn)生很大的機械作用力，會(huì )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(huì )有很大問(wèn)題；但如果力矩大小不夠（如流量計），通常采用環(huán)形磁場(chǎng)感應方案。

輪齒檢測
對于速度傳感器，普通鐵齒輪代表著(zhù)最具挑戰類(lèi)型的目標。不幸的是，他們也是目標的最佳材料，因為這些材料已經(jīng)出現在機械系統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(guò)在磁場(chǎng)中由傳感器組件生成的擾動(dòng)進(jìn)行檢測。有各種技術(shù)可實(shí)施多種輪齒傳感器方案，我們在此討論的只是最常見(jiàn)的可用霍爾效應技術(shù)實(shí)施的類(lèi)型。

最簡(jiǎn)單的輪齒傳感架構如圖1所示，傳感器元件放置在磁鐵表面上。當輪齒經(jīng)過(guò)此組件的前端時(shí)，會(huì )導致傳感器元件所檢測到的磁場(chǎng)增加。當齒根經(jīng)過(guò)傳感器前端時(shí)，磁場(chǎng)強度下降，通過(guò)設置適當的閥值水平，可以檢測到輪齒的出現。這種類(lèi)型傳感器的主要問(wèn)題是如何確定一個(gè)適當的閥值。采用這種方式的傳感器通常有一個(gè)動(dòng)態(tài)調節閥值電路，該值可根據所檢測到的磁場(chǎng)進(jìn)行調節，圖2顯示了從這種傳感器中所得到信號的示例。

另一種類(lèi)型的輪齒傳感器為梯度檢測器。對很多應用來(lái)說(shuō)，如汽車(chē)點(diǎn)火正時(shí)系統，必須知道目標經(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連續性，特別是在目標與傳感器之間的空間發(fā)生任何變化時(shí)。測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)的信號外形類(lèi)似于從單元件傳感器中得到信號，但在每個(gè)傳感器“看到”目標的不同部分時(shí)會(huì )發(fā)生變形，一個(gè)信號連著(zhù)另一個(gè)信號，將兩個(gè)信號相減得到梯度信號，清晰地體現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(gè)傳感器元件的敏感度和偏移值。

實(shí)施的重要問(wèn)題是在哪里設置閥值，來(lái)區別導入邊沿和導出邊沿。我們針對苛刻條件下的應用開(kāi)發(fā)了各種信號調節方案，從簡(jiǎn)單的模擬閥值檢測到精細的數字信號處理系統，對于多數應用，簡(jiǎn)單的信號調節電路就已經(jīng)足夠了。