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霍尔元件在自动监测方面的应用

2004/11/5    来源:中华工控网    作者:王耀      
关键字:传感器  霍尔元件  自动监测  
现今几乎每种操作都要求某种形式的自动定位监测。虽然每种应用的细节有所不同,但大部分都可通过一种技术—--霍尔效应元件满足。

    霍尔元件为一半导体材料片,通过此材料片施加一个恒定电压既可形成一个恒定偏移电流。如果无磁场,其输出,即通过半导体材料片宽度的电压,理论上读数近于0;如果此偏斜的霍尔元件位于与霍尔电流成直角的磁场里,则电压输出与磁场强度成正比。此即为霍尔效应。霍尔元件效应可产生与普通磁通量密度强度成正比的信号。该技术的优势在于具有较宽的工作电压范围、强大辐射和传导的瞬时保护,以及在单芯片解决方案里可能的高ESD标准。

    半导体公司已通过增加收益放大器、偏置调节电路和其它的电路板如调制器和低通滤波器,改进了霍尔效应技术。这些元件可在3到26.5 V间的电压中操作,对于严格汽车环境的辐射和传导瞬时特性、以及从8000 到10,000 V的ESD级别也能应用自如。一些霍尔效应元件可在使用时自调校,现在已形成的系列可编程开关、齿轮传感器和线性装置已极大地改善了生产状况。

    应用

    座式传感器:霍尔技术是一种非接触解决方案,在某些最复杂的系统中结合了最简单的霍尔效应元件,其典型范例是汽车的坐位感测系统,该系统可在发生碰撞时决定司机与方向盘的接近程度,并能相应调节空气囊展开的力度,汽车运动时,霍尔效应位置元件可把坐位信息传送给控制器。发生车祸时能可靠地协助空气囊控制器把握生死命运。最简单的方法是采用一个可感应两个坐位区(近和远)的2线单极转换器。传感元件既可将正确的位置信息以数字输出方式传送给控制器。由于汽车启动时必须保证信息准确,故传感元件后续处理还必须能自动解码。

    在此应用中,附于定位轨迹的座位机械结构装有一个由铁金属制成的板,该板可切断霍尔传感器和磁体之间的磁场。当座位在开关与磁体间通过时,传感器输出的变化会告知控制器:座位轨迹已进入到哪个特别区域。如果你使用的传感器数目足够,你可以感测任意数目的区域。例如,如果你在每个座位轨迹上放置两个传感器,就可以跟踪四个区域。
  
    霍尔输出的编码逻辑
  
    状态区域1:HALL 2 OUTPUT=0 HALL 1 OUTPUT=0
  状态区域2:HALL 2 OUTPUT=0 HALL 1 OUTPUT=1
  状态区域3:HALL 2 OUTPUT=1 HALL 1 OUTPUT=1
  状态区域4:HALL 2 OUTPUT=1 HALL 1 OUTPUT=0

    在其中一区域里与方向盘较近的座位将被告知控制器:空气囊应配以减少的力。在后部区域中与方向盘距离最远的座位,应要求配置更大的力。控制器能解码两个霍尔传感器的输出,以确定该位置处于四个区域中的哪个。两个传感器可提供一个便利的“灰色编码”(一种编码形式,不同于二进制和十进制)输出。
  
    霍尔传感器的多样性可使你给任何的应用都提供多种解决方案。例如,你可能需要一种高解决方案以确定座位在各个时间的位置。这时可以采用一个模拟线性霍尔传感器满足这一需求,此传感器可产生一个与磁场强度成正比的输出。在一个滑动的线性传感器配置里,一个双极磁体将在0V到5 V范围内形成符合设计的比例输出。
  
    汽车里司乘人员的安全系统必须可自动调节。由于司机不需要考虑他或她与方向盘间的距离是否安全。而需注意的问题是,此系统能否感测司机的位置并且正确调节其位置。
  
    热交换:并非每一项应用都把安全性或可靠性作为其主要目标,有时目标会侧重于节约成本。例如,可以将霍尔传感器用于电子模块和子系统中以进行安全、顺利的热交换。热交换设计与系统的很多方面都有关系,其中包括电源管理、通知操作员执行动作的的信号、系统能否判断操作人员的行为,以及对操作完成的判断能力。热交换是工业领域面临的一种典型公共问题。这种范例还有,互联网服务器的硬件驱动和测试设备的模块架。
  
    目前,许多电路卡或模块的热交换问题没有起到正常的作用(如,某些系统只有在目标模块移动后才注意到其热交换问题)。如果模块移动时是活性的,热交换不仅会破坏运行的。
  
  程序而且有可能损毁硬件。
  
    如果采用霍尔传感器和一个简单控制器,那么这种设计就很有预见性;初始系统可以响应清除关断或任务重排的信号。受电压和ESD的影响将减少,最终改善终端系统的可靠性和收益性。
  
    采用热交换技术时,系统发展商担心启动和关机期间能否有序地给被移动和替换的附属系统提供电源。最普通的技术是人工排序接口连接器上的接触片,以便接地片或公共片最后断开或首先接入。然而,随着系统和子系统越来越复杂,IC越来越小以及产品的ESD敏感度的增加,该方法越来越不理想。
  
    利用Allegro公司的霍尔元件是一种较佳的选择方案,其具有超灵敏感应、低功耗、用于A3212装置的采样算法和LED(其容许子系统的热交换有更多的预性方法)。这些装置能对磁场的出现做出响应,并有开漏的逻辑电平输出。霍尔器件所需的动态功耗极低,非常适合有能量功耗要求的工作环境。
  
    霍尔元件使得主系统可在任何动作发生前,获知抽取和\或插入的意向。元件可检测到激活程序的意向和实际完成情况。而且你可通过利用霍尔装置出现的变化,甚至可在主系统对某个新子系统响应之前确定某些特性。
  
    每个槽或沟都有含有霍尔装置的电路板安装于相应的底座上,该底座为包含各种控制器、硬驱动器和网络接口卡的服务器,并且底座里的每个槽都有一个带磁体的铰链盖,其内部包含有霍尔装置。当盖打开时,霍尔装置可感应磁场的变化(表现为其输出的逻辑状态变化),并发信号给未决行动的主机。
  
    当盖子被提起,且目标子系统已实际撤退时,系统控制器可把装置移离控制线并重新定位其动作。如果是一个线性卡,则此通道内的相关槽将被从控制线上移离。如果服务器内是硬驱动,运行的所有程序和数据文档将被锁定以阻止访问和恶化。当安装了替换模块且其盖子返回到其闭合位置时,霍尔装置可感测到磁场状态的变化并发信号给系统主机通知程序已完成。
  
    在相似的应用过程中,此磁体被包含在一螺旋起重机的把手中,用于保证槽中的模块或子系统处于主底座的槽中。当把手转换到允许模块松开时,霍尔装置可感应磁场中的变化并发信号给计划的主控制器以去除模块或子系统。
  
    采用这种方法,可以有足够的时间将模块功能重新分配给系统中的其它模块或者结束服务,且模块的电源有充分时间依次断开。由于把手中磁体距相关霍尔装置的距离很近,可使磁体强度很小,从而可以确保到磁中介记录系统(如硬盘驱动)无崩溃的风险。
   
    当新模块已安装在槽中时,用螺丝拧紧既可确保模块的安全,并且需要将把手弹回到安全位置。而当把手装载时,磁场将产生另一种变化,并且发信号给完成了处理过程的底座主机,使该模块槽通电并初始化。在两种情况下,都可用单色或双色LED 发信号执行过程中的每一步。
  
    结论
  
    霍尔效应元件产品高度可靠且相对便宜。虽然感应目标可能不能一直像座位传感器一样至关重要,但如果有自动感应要求,此种解决方案还是上佳之选。

责任编辑:石端桥
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