位置和運(yùn)動(dòng)傳感器在測試齒輪齒感應(yīng)中的應(yīng)用

1   使用55075器件測試齒輪齒感應(yīng)

最好的齒輪由冷軋低碳鋼制成，燒結(jié)金屬齒也可以使用，但必須注意確保材料成分和密度的一致性。

Littelfuse器件是一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)字輸出的齒輪速度傳感器。傳感器與齒輪齒之間的傳感距離受多種因素的影響，包括齒輪齒的尺寸、齒輪的金屬材質(zhì)等級(jí)以及齒輪與傳感器的對齊情況。通常情況下，齒和槽越大，感應(yīng)間隙就越大。為獲得最佳性能，傳感器應(yīng)盡可能靠近目標(biāo)，最佳的感應(yīng)距離應(yīng)小于1 毫米。根據(jù)齒輪的幾何形狀，傳感器的感應(yīng)距離可能達(dá)到2毫米。

圖1 齒輪齒

一般齒輪設(shè)計(jì)可參考以下示例：

W=4mm

S=5mm

T=6mm

G=1.5mm典型值

H=4mm

對于齒形尺寸較小的齒輪，傳感間隙通常為0.5 至1.0 毫米。在最終選擇之前，最好根據(jù)具體齒輪對傳感器進(jìn)行評(píng)估。

圖2 磁通量濃度

目標(biāo)的齒或槽應(yīng)切割成略微傾斜的角度，以盡量減少目標(biāo)經(jīng)過傳感器時(shí)從金屬到空氣過渡的突然性。Littelfuse輪齒傳感器的典型氣隙在1-1.5毫米之間。Littelfuse 55075包含一個(gè)用于灌電流輸出的內(nèi)部上拉電阻器。

在許多工業(yè)領(lǐng)域都是通過齒輪來檢測速度和位置的。幾十年來，人們一直在尋求將重復(fù)通過的齒轉(zhuǎn)換為電脈沖的能力。純機(jī)械系統(tǒng)在使用過程中存在磨損和故障問題，因此僅限于低速和低占空比應(yīng)用?；魻栃?yīng)齒輪齒感應(yīng)利用霍爾元件來感應(yīng)磁鐵與通過的鐵質(zhì)齒輪齒之間氣隙中的磁通量變化。通過對霍爾信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，可以獲得以下幾個(gè)優(yōu)勢。峰值檢測、峰值保持和電平比較均以數(shù)字方式完成。與最后一個(gè)齒輪齒和波谷相對應(yīng)的最大和最小霍爾信號(hào)會(huì)被無限期地記憶下來，而不會(huì)出現(xiàn)模擬技術(shù)所產(chǎn)生的漂移。然后，電平比較將適應(yīng)最后一個(gè)峰值。這就是真正的零速自適應(yīng)速度傳感器。它不受方位要求的影響，可以跟蹤齒輪速度直至運(yùn)動(dòng)停止。接通電源后，它將立即檢測到下一個(gè)輪齒的第一個(gè)邊緣。數(shù)字信號(hào)處理確實(shí)會(huì)帶來量化的不確定性，在速度較大時(shí)這種不確定性會(huì)更大。曲軸位置傳感器等對時(shí)序要求極高的產(chǎn)品在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)精度下降的情況。

表1 推薦的操作條件，55075齒輪齒

為了用霍爾效應(yīng)傳感器檢測通過的齒輪齒，必須提供一個(gè)磁能源。一種簡單的方法是布置一塊永久磁鐵，使磁化軸指向齒輪齒的表面。當(dāng)齒在磁鐵表面移動(dòng)時(shí)，磁通量會(huì)被鐵鋼結(jié)構(gòu)提供的低磁阻路徑吸引。

在這種情況下，傳感器表面的霍爾元件和齒輪齒之間測量到的磁通密度就會(huì)增加。利用矢量磁通場的各種屬性及其不斷變化的性質(zhì)來創(chuàng)建零速霍爾效應(yīng)齒輪齒形傳感器的方案已經(jīng)開發(fā)了很多，有些還獲得了專利。齒輪齒規(guī)格：

表2

電氣特性，55075齒輪齒超過T_A=--40~100℃，V_OD=4.75~25.2 V，除非另有規(guī)定。

2   3線霍爾傳感器：55100、55140

這些傳感器采用CMOS 技術(shù)，由霍爾板、有源穩(wěn)壓電路、比較器和漏極開路輸出組成。

輸出為低電平灌電流，大多數(shù)應(yīng)用需要外接上拉電阻。電源電壓和上拉電壓不必相同?？梢允褂脴?biāo)稱電壓為0V至24V的任何上拉電壓。上拉電阻值僅受過熱保護(hù)下最大輸出漏電流10uA和推薦的最大輸出電流20mA的限制。

表3 絕對最大額定值

磁鐵的極性對霍爾傳感器非常重要。“開關(guān)型”霍爾傳感器由磁鐵的南極激活。應(yīng)將正確的磁極置于傳感器的激活面上（有關(guān)激活詳情，請參閱傳感器數(shù)據(jù)表）。

該系列傳感器采用斬波穩(wěn)定技術(shù)。這一特性可在電源電壓、溫度和機(jī)械應(yīng)力變化時(shí)提供幾乎恒定的磁性特性。為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，內(nèi)部振蕩器會(huì)在基準(zhǔn)采樣和有源磁傳感器采樣之間切換放大器電路。振蕩周期稱為T_OSC，為幾微秒（參見規(guī)格書）。傳感器的數(shù)字輸出可能會(huì)延遲到這個(gè)量級(jí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這種極小的延遲并不重要，斬波電路提供的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這種延遲。

表4 推薦工作條件

電氣特性，55100 3 線，55140 3 線^（注2）超過T_A =-40 至90℃，V_DD=3.8 至24.0 V，除非另有規(guī)定指定。

注1：超過絕對最大額定值的條件可能會(huì)導(dǎo)致傳感器永久損壞。不建議在超出推薦操作條件范圍外進(jìn)行功能操作。長時(shí)間工作在絕對最大額定值條件下可能會(huì)影響設(shè)備的可靠性。

表5 電氣特性

注1：超過絕對最大額定值的條件可能會(huì)導(dǎo)致傳感器永久損壞。不建議在超出推薦操作條件范圍外進(jìn)行功能操作。長時(shí)間工作在絕對最大額定值條件下可能會(huì)影響設(shè)備的可靠性。

表6 絕對最大額定值54100、54140^（注2）

（@TA=+25℃，除非另有規(guī)定。）

3   模擬霍爾傳感器：55100-AP、55140-AP

模擬霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)測量磁場的半導(dǎo)體器件。它們通常使用CMOS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因此可以對傳感器的各種參數(shù)進(jìn)行編程和定制。這些傳感器的一些主要特點(diǎn)和特性如下：

1) 客戶預(yù)設(shè)：模擬霍爾傳感器可依據(jù)特定磁場強(qiáng)度（以高斯為單位）預(yù)設(shè)一個(gè)相對應(yīng)的輸出電壓。這樣就可以根據(jù)應(yīng)用的具體要求定制傳感器。

2) 可編程：傳感器的電參數(shù)可編程，不同的參數(shù)可實(shí)現(xiàn)定制化，如磁場范圍、靈敏度、輸出電壓范圍和溫度系數(shù)。這種靈活性使傳感器適用于各種應(yīng)用。

3) 比率輸出：傳感器的輸出電壓以電源電壓為基準(zhǔn)。這意味著輸出的電壓值在基于電源電壓的情況下與磁場強(qiáng)度成正比。即使電源電壓發(fā)生波動(dòng)，比率輸出也能提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

4) 容錯(cuò)性：傳感器設(shè)計(jì)用于處理不同的故障條件，如電源開路、接地開路或電源對地或電源電壓過壓/ 欠壓。這確保了即使在具有挑戰(zhàn)性的情況下也能可靠運(yùn)行。

5) 總誤差：傳感器的總誤差（包括所有誤差源）在整個(gè)工作電壓和溫度范圍內(nèi)小于2%。這一精度水平使傳感器適用于精確測量應(yīng)用。

總之，采用CMOS 技術(shù)的模擬霍爾傳感器為汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子等各種行業(yè)和應(yīng)用的磁場測量提供了一種通用、可靠的解決方案。

表7 電氣特性54100、54140

（@TA=+25℃，VCC=3.0 V）

AP系列模擬霍爾傳感器的標(biāo)準(zhǔn)編程具有2.5 Vdc 的預(yù)設(shè)電壓輸出，隨著磁場強(qiáng)度的增加（磁極接近傳感器面），輸出電壓下降至約0 Vdc?？赏ㄟ^編程接口和專用編程軟件來實(shí)現(xiàn)定制化。

4   3線TMR傳感器54100、54140

TMR（ 隧道磁阻） 傳感器采用CMOS 技術(shù)， 由TMR 傳感元件、帶隙調(diào)節(jié)器、比較器和推挽輸出組成。輸出為低電平有效（灌電流）和高電平有效（拉電流的）。推薦的最大輸出電流為6 mA。

表8 磁特性54100、54140

（@T_A=+25℃，V_CC=3.0 V）

全極傳感器既可以用磁鐵的北極來激活也可以用南極來激活。一旦超過BOP 臨界值，任意磁極都會(huì)激活傳感器（輸出灌電流到地）；而當(dāng)超過BRP 臨界值時(shí)，任意磁極都會(huì)釋放傳感器（輸出上拉至Vcc）。磁鐵的磁極應(yīng)正對于傳感器出線側(cè)相反的那一面。

注2：大于上述“絕對最大額定值”的應(yīng)用可能會(huì)對器件造成永久損壞。這些只是應(yīng)用強(qiáng)度評(píng)級(jí)；不建議器件在任何其他超過本規(guī)范所示條件的條件下的功能操作。器件的可靠性可能會(huì)受到長時(shí)間工作在絕對最大額定值條件下的影響。

圖3 3線設(shè)計(jì)

5   定制設(shè)計(jì)傳感器

Littelfuse專注于滿足客戶的特殊要求，提供全方位的內(nèi)部工程服務(wù)能力。

6   EMC和ESD

對于一些應(yīng)用有來自于電源線的干擾或輻射，建議使用串聯(lián)電阻器和電容器。串聯(lián)電阻和電容器應(yīng)盡可能靠近傳感器。根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)DIN 40839，采用這種布置的應(yīng)用可以通過EMC 測試。

圖4 2線設(shè)計(jì)

7   過電壓保護(hù)，55075除外

連續(xù)供電的絕對最大額定電壓為24V。如果電源電壓超過28V的齊納電壓，傳感器的損耗電流就會(huì)增加。傳感器只能承受短時(shí)間的超過齊納電壓的電壓。為了保護(hù)霍爾傳感器免受過壓影響，需要外接一個(gè)串聯(lián)電阻。該串聯(lián)電阻上的壓降隨著電源電流的增加而增大。齊納二極管與（外部）串聯(lián)電阻器組合后可作為箝位電壓裝置，將傳感器的電源電壓限制在齊納電壓范圍內(nèi)。

8   反向電壓保護(hù)，55075除外

最大反向電壓為-15 V。舉例來說，如果傳感器要使用汽車的12 V 電源供電，可能會(huì)出現(xiàn)連接錯(cuò)誤，但不會(huì)造成損壞。正如過壓保護(hù)一樣，使用外部元件可以提高該反向電壓保護(hù)值。

9 溫度、電壓和功率

與所有固態(tài)半導(dǎo)體器件一樣，霍爾和TMR 傳感器也有一個(gè)最高工作結(jié)溫。工作結(jié)溫取決于傳感器的耗散功率（電壓乘以電流）、封裝的熱阻、安裝配置的散熱器的散熱效果、任何空氣流動(dòng)以及環(huán)境（空氣）溫度。由于內(nèi)部功率和自熱，在電源電壓較高時(shí)，可通過降低最高工作溫度的方法，將結(jié)溫限制在可接受的值。

10   ESD預(yù)防措施

Littelfuse 半導(dǎo)體產(chǎn)品對靜電放電（ESD）敏感。在處理霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)，始終遵循ESD 控制程序。

（本文來源于《EEPW》202410）