1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

引言

旋轉(zhuǎn)式流量計(jì)利用流體流動(dòng)，以與流速成正比的速度旋轉(zhuǎn)機(jī)械組件。與使用簧片開(kāi)關(guān)的流量計(jì)相比，采用霍爾效應(yīng)傳感器可實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸設(shè)計(jì)、更長(zhǎng)的器件壽命以及更小的組裝誤差。

可通過(guò)磁性葉輪和霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)施一種測(cè)量流體流速的可靠非接觸式方法，如圖 1-1 所示。在這種方法中，磁體被放置在葉輪上，這樣霍爾傳感器能夠檢測(cè)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不斷變化的磁場(chǎng)。這種不斷變化的磁場(chǎng)會(huì)使霍爾器件在超過(guò)磁性閾值時(shí)改變輸出狀態(tài)。因此，霍爾傳感器輸出頻率可用于測(cè)量流經(jīng)儀表的液體流速。

在設(shè)計(jì)機(jī)械類流量計(jì)時(shí)，有必要評(píng)估系統(tǒng)方案的基本要求。最小和最大流速等特性決定了葉輪尺寸等機(jī)械因素。磁體選擇會(huì)影響適合應(yīng)用的霍爾效應(yīng)傳感器的類型。因此，系統(tǒng)精度要求將影響實(shí)現(xiàn)測(cè)量所需的磁極或霍爾傳感器的總數(shù)。

器件靈敏度

選擇霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)，請(qǐng)確保該傳感器對(duì)流量計(jì)中使用的磁體具有足夠的靈敏度。磁體的位置和尺寸可能會(huì)顯著影響霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到的磁通密度。霍爾效應(yīng)器件通常會(huì)提供多種靈敏度選項(xiàng)，以滿足應(yīng)用的具體靈敏度要求。選擇霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)，必須確保具有足夠的磁余量，以可靠地觸發(fā)磁場(chǎng)變化。

單極開(kāi)關(guān)

單極開(kāi)關(guān)是現(xiàn)有最簡(jiǎn)單的霍爾效應(yīng)器件，能夠在一個(gè)方向（磁體的北極或南極）上檢測(cè) B_OP 和 B_RP。使用具有單個(gè)檢測(cè)方向的傳感器時(shí)，磁體方向需要擺放正確才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)檢測(cè)?；魻栃?yīng)開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)磁體方案包括南極或北極朝向磁體交替擺放，或者單個(gè)朝向磁體相距較遠(yuǎn)，使得磁體之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度低于 B_RP 閾值。在數(shù)字霍爾效應(yīng)器件中，B_OP 和 B_RP 決定了器件的開(kāi)關(guān)閾值。對(duì)于霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)，此特性使得輸出占空比取決于磁場(chǎng)閾值水平和磁體運(yùn)動(dòng)。通常，與采用鎖存器時(shí)相比，在流量計(jì)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)必須更加小心。不過(guò)，開(kāi)關(guān)可以與各種磁體方案配合使用，從而進(jìn)一步提高了流量計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)的靈活性。圖 1-2 顯示了單極開(kāi)關(guān)的工作方式。

全極開(kāi)關(guān)

全極開(kāi)關(guān)就像是兩個(gè)連接在一起但極性相反的單極開(kāi)關(guān)。因此，該開(kāi)關(guān)仍舊采用 B_OP 和 B_RP 工作；不過(guò)，磁場(chǎng)的極性不再影響傳感器的輸出。此方案要求磁體相距較遠(yuǎn)，使得磁體間的磁場(chǎng)強(qiáng)度低于 B_RP 閾值。使用全極開(kāi)關(guān)時(shí)，磁體可以按照任意方向（北向或南向）擺放，而磁極都不會(huì)給傳感器工作造成影響。磁體可以按照任一方向擺放，從而簡(jiǎn)化了流量計(jì)的整體機(jī)械組裝。圖 1-3 中顯示了全極開(kāi)關(guān)的工作方式。

1D 鎖存器

一維 (1D) 霍爾效應(yīng)鎖存器具有與開(kāi)關(guān)相似的工作特性，但存在一個(gè)獨(dú)特之處，即保留之前的輸出狀態(tài)，直到檢測(cè)到相反極性的磁極。因此，傳感器必須檢測(cè)變化的磁極，以便在輸出上產(chǎn)生相應(yīng)的變化。假設(shè)磁體間距相等，那么不管檢測(cè)頻率如何，鎖存器的輸出波形占空比都約為 50%。圖 1-4 展示了霍爾效應(yīng)鎖存器的工作特性。

2D 集成鎖存器

二維 (2D) 霍爾效應(yīng)鎖存器采用與 1D 霍爾效應(yīng)鎖存器相似的工作方式，但在單個(gè)封裝中集成了多個(gè)感應(yīng)元件。在 TMAG5111 器件中，這一特性支持旋轉(zhuǎn)感應(yīng)和方向感應(yīng)。由于具有多個(gè)感應(yīng)元件，2D 鎖存器無(wú)需額外的磁極，即可提高傳感系統(tǒng)的分辨率。此外，2D 霍爾效應(yīng)鎖存器具有固有的正交特性，因此無(wú)需像 1D 霍爾效應(yīng)鎖存器那樣精確地按照互成 90° 的方式交錯(cuò)放置。正交輸出可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的頻率測(cè)量，以及機(jī)械式流量計(jì)中的回流檢測(cè)功能。

帶寬

與具有模擬帶寬的運(yùn)算放大器等器件不同，霍爾效應(yīng)傳感器具有數(shù)字帶寬。帶寬決定霍爾效應(yīng)傳感器能夠檢測(cè)的最大頻率。必須考慮流量計(jì)中存在的磁極總數(shù)，以驗(yàn)證葉輪的最大轉(zhuǎn)速是否小于器件的帶寬。例如，如果流量計(jì)采用高帶寬 DRV5013 霍爾效應(yīng)鎖存器（30kHz）和具有 32 個(gè)極點(diǎn)（16 個(gè)北極，16 個(gè)南極）的環(huán)形磁體，則理論上的最大典型檢測(cè)速度為每秒 1875 轉(zhuǎn)。使用計(jì)算得出的最大檢測(cè)轉(zhuǎn)速來(lái)驗(yàn)證最大流速并不會(huì)導(dǎo)致機(jī)械組件超過(guò)霍爾效應(yīng)器件的檢測(cè)能力。

工作電壓范圍

不同的系統(tǒng)具有不同的可用電源電壓。如果系統(tǒng)的可用電源電壓均超出霍爾傳感器的工作電壓范圍，則需要一個(gè)額外的電壓穩(wěn)壓器來(lái)生成一個(gè)電壓軌，以便為霍爾傳感器供電。DRV5013 等器件具有寬電源電壓范圍（2.5V 至 38V），因此霍爾效應(yīng)傳感器適用于各種高壓或低壓應(yīng)用。

封裝

封裝選擇可影響流量計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)，因?yàn)榉庋b的尺寸和靈敏度面決定了霍爾效應(yīng)傳感器的位置。通過(guò)將表面貼裝封裝與引線式 TO-92 封裝進(jìn)行比較，可以非常明顯地感受到該影響。圖 1-5 顯示了采用 SOT-23 和 TO-92 封裝的傳統(tǒng)及平面霍爾效應(yīng)傳感器的檢測(cè)方向差異。此外，如果機(jī)械約束顯示了霍爾傳感器安裝選項(xiàng)，可以使用平面?zhèn)鞲衅鱽?lái)檢測(cè)封裝外側(cè)的磁場(chǎng)（圖 1-5）。

功耗

低功耗霍爾效應(yīng)器件能夠通過(guò)減少有效電流消耗來(lái)延長(zhǎng)電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。例如，DRV5032 低功耗霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)具有一個(gè)采樣率為 5Hz 的器件，在 1.8V 電源條件下典型電流消耗僅為 0.54μA。電流消耗通常與器件帶寬成反比，因此有必要為目標(biāo)流量監(jiān)測(cè)應(yīng)用平衡這兩個(gè)特性。如果需要高帶寬和低功耗，則可能有必要通過(guò)在外部對(duì)睡眠或使能引腳（如果器件擁有該引腳的話）進(jìn)行周期性運(yùn)行或者對(duì)器件的 V_CC 引腳進(jìn)行周期性運(yùn)行來(lái)降低平均電流消耗。

有關(guān)霍爾效應(yīng)傳感器功能的比較摘要，請(qǐng)參閱表 1-1。

有關(guān)在流量計(jì)應(yīng)用中使用霍爾效應(yīng)傳感器的更多詳細(xì)信息和指南，請(qǐng)參閱表 1-2 和
表 1-3。