位置和運動傳感器在測試齒輪齒感應中的應用
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1 使用55075器件測試齒輪齒感應
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，感應間隙就越大。為獲得最佳性能，傳感器應盡可能靠近目標，最佳的感應距離應小于1 毫米。根據(jù)齒輪的幾何形狀，傳感器的感應距離可能達到2毫米。
圖1 齒輪齒
一般齒輪設計可參考以下示例：
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行評估。
圖2 磁通量濃度
目標的齒或槽應切割成略微傾斜的角度，以盡量減少目標經(jīng)過傳感器時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包含一個用于灌電流輸出的內(nèi)部上拉電阻器。
在許多工業(yè)領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通過的齒轉(zhuǎn)換為電脈沖的能力。純機械系統(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用。霍爾效應齒輪齒感應利用霍爾元件來感應磁鐵與通過的鐵質(zhì)齒輪齒之間氣隙中的磁通量變化。通過對霍爾信號進行數(shù)字處理，可以獲得以下幾個優(yōu)勢。峰值檢測、峰值保持和電平比較均以數(shù)字方式完成。與最后一個齒輪齒和波谷相對應的最大和最小霍爾信號會被無限期地記憶下來，而不會出現(xiàn)模擬技術(shù)所產(chǎn)生的漂移。然后，電平比較將適應最后一個峰值。這就是真正的零速自適應速度傳感器。它不受方位要求的影響，可以跟蹤齒輪速度直至運動停止。接通電源后，它將立即檢測到下一個輪齒的第一個邊緣。數(shù)字信號處理確實會帶來量化的不確定性，在速度較大時這種不確定性會更大。曲軸位置傳感器等對時序要求極高的產(chǎn)品在高速運轉(zhuǎn)時可能會出現(xiàn)精度下降的情況。
表1 推薦的操作條件，55075齒輪齒
為了用霍爾效應傳感器檢測通過的齒輪齒，必須提供一個磁能源。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。當齒在磁鐵表面移動時，磁通量會被鐵鋼結(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TA=--40~100℃，VOD=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?？梢允褂脴朔Q電壓為0V至24V的任何上拉電壓。上拉電阻值僅受過熱保護下最大輸出漏電流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?！伴_關(guān)型”霍爾傳感器由磁鐵的南極激活。應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、溫度和機械應力變化時提供幾乎恒定的磁性特性。為了實現(xiàn)這一技術(shù)，內(nèi)部振蕩器會在基準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TOSC，為幾微秒（參見規(guī)格書）。傳感器的數(shù)字輸出可能會延遲到這個量級。在大多數(shù)應用中，這種極小的延遲并不重要，斬波電路提供的穩(wěn)定性遠遠超過了這種延遲。
表4 推薦工作條件
電氣特性，55100 3 線，55140 3 線（注2）超過TA =-40 至90℃，VDD=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導致傳感器永久損壞。不建議在超出推薦操作條件范圍外進行功能操作。長時間工作在絕對最大額定值條件下可能會影響設備的可靠性。
表5 電氣特性
注1：超過絕對最大額定值的條件可能會導致傳感器永久損壞。不建議在超出推薦操作條件范圍外進行功能操作。長時間工作在絕對最大額定值條件下可能會影響設備的可靠性。
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測量磁場的半導體器件。它們通常使用CMOS 技術(shù)實現(xiàn)，因此可以對傳感器的各種參數(shù)進行編程和定制。這些傳感器的一些主要特點和特性如下：
1) 客戶預設：模擬霍爾傳感器可依據(jù)特定磁場強度（以高斯為單位）預設一個相對應的輸出電壓。這樣就可以根據(jù)應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用。
3) 比率輸出：傳感器的輸出電壓以電源電壓為基準。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度成正比。即使電源電壓發(fā)生波動，比率輸出也能提供穩(wěn)定、準確的測量結(jié)果。
4) 容錯性：傳感器設計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行。
5) 總誤差：傳感器的總誤差（包括所有誤差源）在整個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)和消費電子等各種行業(yè)和應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準編程具有2.5 Vdc 的預設電壓輸出，隨著磁場強度的增加（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
（@TA=+25℃，VCC=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，任意磁極都會激活傳感器（輸出灌電流到地）；而當超過BRP 臨界值時，任意磁極都會釋放傳感器（輸出上拉至Vcc）。磁鐵的磁極應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”的應用可能會對器件造成永久損壞。這些只是應用強度評級；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受到長時間工作在絕對最大額定值條件下的影響。
圖3 3線設計
5 定制設計傳感器
Littelfuse專注于滿足客戶的特殊要求，提供全方位的內(nèi)部工程服務能力。
6 EMC和ESD
對于一些應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)電阻和電容器應盡可能靠近傳感器。根據(jù)產(chǎn)品標準DIN 40839，采用這種布置的應用可以通過EMC 測試。
圖4 2線設計
7 過電壓保護，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增加。傳感器只能承受短時間的超過齊納電壓的電壓。為了保護霍爾傳感器免受過壓影響，需要外接一個串聯(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，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，可能會出現(xiàn)連接錯誤，但不會造成損壞。正如過壓保護一樣，使用外部元件可以提高該反向電壓保護值。
9 溫度、電壓和功率
與所有固態(tài)半導體器件一樣，霍爾和TMR 傳感器也有一個最高工作結(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，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預防措施
Littelfuse 半導體產(chǎn)品對靜電放電（ESD）敏感。在處理霍爾效應傳感器時，始終遵循ESD 控制程序。
（本文來源于《EEPW》202410）
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