实现高可靠度独特设计　定制化传感器大显身手

    现成的标准型感测器往往无法满足原始设备制造商(OEM)独特的设计要求，此时客制化感测器即成为开发人员的最佳选择；透过量身订制参数规格，客制化感测器将可打造更符合应用情境需求，且可靠度更高的独特功能。

成功的磁路建立在合理的规划和设计原则之上。经验丰富的设计工程师在设计过程中会考虑整个磁路而进行整体分析。原始设备制造商(OEM)团队与客户之间开诚布公的沟通有助于工程师对专案的独特参数和要求进行预期并相应地进行客制设计。  
如果OEM团队在主系统设计接近完成之前忽略了感测器的布局将会导致耗时的设计挑战出现。规划不善的设计很可能具有独特的感测器设计要求，这是标准的感测器元件所无法满足的。例如，机械设计的封装对可用空间来说可能过大。或者，如果没有额外的电路，电力载荷将无法容纳标准的传感元件。如果现成的感测器无法满足独特的设计要求，那么将需要一款客制的感测器。即使在设计中应用了最佳实践，恶劣的环境条件也会迫使客制感测器成为应用的唯一选择。  

常用于汽车和消费电器应用中的干簧管感测器和霍尔效应感测器使高可靠性的电路开发成为可能。虽然这些感测器设计简单，但是可以对其进行修改，以适应具有独特的功率、精确度、稳定性和可靠性要求的环境。本文将就设计工程师可以选用的干簧管开关和各种霍尔效应感测器输出方案在输出讯号特征上的差异进行探讨，还将对设计师如何为应用选择最佳的感测器进行说明。  

数位感测器具备高可靠性  

大多数客户在他们的磁传感测应用中要求采用数位输出，因为他们想验证某个对象是否在其适当的位置上。下面的数位感测器可为客制的磁传感应用提供卓越的可靠性。  

干簧管开关  

干簧管开关是一种不需要电力来操作的电气开关(图1)。密封在玻璃管内的触点所采用的是特殊金属材料。  


图1　干簧管开关感测器
优点  

这种开关由于不受湿气和其他环境因素影响因而具有高可靠性。因此，触点不会氧化，并且能够在逻辑电平负载下持续运行数百万个周期。  

应用范围  

干簧管开关在电池供电的应用中非常受欢迎。这种开关被用于汽车安全产品中，如安全带扣夹紧/闭合检测感测器和碰撞检测的碰撞感测器。由于干簧管感测器能够切换交流或直流负载，因而成为数位开关应用受欢迎的选择，如保安和家用电器市场中的门闭合检测。  

冰箱门采用干簧管开关进行门的闭合检测(图2)。磁体安装在门上，干簧管感测器安装在隐藏于冰箱外壁后面的固定框架上。当门被打开时，舌簧感测器无法感测到磁场，使LED灯泡点亮。当门被关上时，感测器感测到适当的磁场，LED灯熄灭。在该应用中，电器中的微控制器从干簧管感测器获得讯号，然后通过控制单元启动或关闭LED灯。  


图2　在冰箱门中采用干簧管开关感测器以打开和关闭灯光。
数位霍尔效应感测器  

基于半导体的数位霍尔效应感测器会随磁场中的变化而改变输出电压(图3)。无需使用任何移动部件，这种感测器可提供对应于磁场变化的数位开/关输出讯号。霍尔效应元件被限制用于具有低直流电压和电流的应用。不同于磁簧开关，霍尔效应器件含有源电路，因此始终需要少量的电流。  


图3　霍尔效应感测器
优点  

数位霍尔效应传感器具有高可靠性，并可针对精确的检测要求对其进行程式设计从而能够在给定的磁场耐受下启动。  

应用范围  

这种感测器在高速感测应用中非常受欢迎，如洗衣机。在这种应用中，一个旋转的16极环形磁铁在每次通过红色(北极)段时启动霍尔效应晶片，并在每次通过白色(南极)段时停用，从而产生非常精确的速度讯号(图4)。数位霍尔效应感测器尤其适用于汽车安全应用，比如安全带扣夹紧检测和变速箱齿轮速度传感。  


图4　霍尔效应速度感测器示意图。感测器随着磁体的转动启动和停用，从而产生非常精确的速度信号。
类比/公制比例感测器提供更高稳定和准确性  

类比传感应用使最终用户能够获得关于磁体位置的即时回馈。类比霍尔效应传感器具有高精度、高解析度的比例输出讯号。  

以前，类比霍尔效应感测器被用于测量磁体的磁通密度，并且受到应用的温度值的极大影响。由于类比霍尔效应技术近年来的发展，霍尔效应晶片现在能够测量磁通场的角度，而不再是传统的幅度，使得它对温度的变化具有更低的敏感性。这种进步使得这种感测器能够在大的温度范围内提供更为稳定的类比输出。  

在客制类比传感应用中可考虑选择使用两种类型的霍尔效应感测器：  

旋转霍尔效应感测器  

基于半导体的旋转霍尔效应感测器会随磁场中的变化而改变输出电压。这种感测器提供两种输出选择：类比或脉冲宽度调制(PWM)。这种器件是可程式设计的，以致于工程师能够将特定输出电压或PWM与精确的旋转角度关联起来。多达360度旋转角度的多程式设计点可用。每个程式设计点代表对应于磁场给定角度的电压值或PWM输出值。这会产生相对于旋转角度的一个比例输出讯号。  

优点  

不同于机械旋转或电阻膜旋转器件，旋转霍尔效应感测器不会产生机械磨损或遇到变化的电阻值。此外，该器件在高达+105℃的正常工作温度上非常稳定。  

0.5V∼4.5V直流电压输出或PWM 10∼90%工作周期条件下，0-360度旋转角度会产生精确的单位。  

应用范围  

旋转霍尔效应感测器正逐渐成为替换电阻膜或电位机械器件的广泛选择。它们被用于汽车和非公路应用中，如检测引擎上EGR阀的位置。这种感测器也可用于检测电器和白色家电应用中的调节器位置(图5)。  


图5　洗衣机控制旋钮中用于确定位置的霍尔效应感测器
线性霍尔效应感测器  
线性霍尔效应感测器与旋转霍尔效应感测器相似，只是它们测量的是磁场的线性运动，而不是旋转。针对与给定行驶距离成比例的输出电压设定值，这种霍尔效应感测器是可程式设计的。输出选择与旋转霍尔效应感测器的相同。这种感测器以单片霍尔效应晶片可在长达30毫米的行驶距离上对磁致动器的线性运动和相对磁通角进行测量。这会产生相对于感测器精确运动的一个比例输出讯号。  

优点  

这种感测器和致动器可以置于应用的最终安装区域内，在对输出电压或PWM值进行程式设计以对应致动磁体的相对磁场值之前，这现在可以将来自附件周围的所有磁影响纳入进来。工程师因而能够优化应用的输出，因为任何分流、机械公差或磁场的层叠公差将被包括在程式设计环境中。  

应用范围  

线性霍尔效应感测器通常作为水准感测器用于监测洗碗机等电器中的流体液位。  

在这种应用中，感测器监测移动浮子的位置，移动浮子附着一个磁体。当浮子的位置随着相对液位升高或降低时，位于固定感测器内的模拟霍尔效应感测器会检测移动浮子内残留磁通角的变化。磁通角随着磁体/浮子向上或向下运动而变化，转换为相对电压的输出讯号。这个输出讯号是关于在任何时候即时液位的一个比例值。线性感测器在更为复杂的设计中(如汽车变速箱换挡)也是有益的选择。  

利用知识和创新　设计客制传感器  

下面的例子显示的是在户外环境中安装位置感测器的独特要求和挑战。考虑到感测器暴露于大的温度范围，雨、雪和阳光照射条件之下，塑胶材料的设计要求可能会非常复杂。此外，磁簧传感器解决方案必须能够在10年或15年保修期内持续可靠运行。  

问题  

起初，客户想要的是一种可以被安装于任何类型气候的室外环境中的常闭式标准干簧管感测器。在客户与设计工程团队之间进行深入沟通之后，最终确定标准的干簧管感测器将无法应对恶劣的户外条件。  

要求  

客户需要一种能够满足以下要求的客制的磁簧传感器解决方案：  

．装置必须包括一个常闭触点干簧开关，密封防滴水，满足IP65防护等级。  

．线束将暴露于阳光下，必须针对户外紫外线(UV)光进行设计。  

．尽管温度范围在-40℃到+105℃之间似乎是有利的，但其在热回圈条件下应包括湿度回圈和水滴测试的特殊设置。  

．客户对应用的完整温度范围内的启动距离公差要求非常严格。  

解决方案  

在额外的讨论和样品评估之后，工程团队开发了一个强大的客制设计，纳入了以下要素：  

第一，该团队使用了抗紫外线电缆，将两个干簧管感测器连接至一个Y接头。这个接头与线束和一个与客户控制箱相连的关联连接器连在一起。  

第二，为了满足IP65防护等级，每个干簧管感测器有一个密封介面与电缆相连，通过特别的灌封材料、超模压Y接头和超模压连接器连接至控制箱的线束。此外，该团队还对线束和密封盒进行了特殊的清洗过程，以使连接器和灌封材料在传感测器内包覆成型能够满足有挑战性的IP65等级要求，并能够在热回圈试验中通过水滴测试。  

第三，感测器和致动器的启动距离公差和特殊对齐要求该团队在感测器和致动器上使用客制的注塑成型的密封盒。  

在众多技术方案中选择舌簧开关有以下几个原因：  

．它是一种常闭式开关。其他传感技术，如霍尔效应或磁阻(MR)，始终需要消耗电流，即使是在非启动模式下。客户在其挑战性的环境中需要一种无需机械操作的简单的开关。  

．干簧管开关因为具有密封的触点而不受灰尘和湿气的影响。此外，它们因在恶劣的气候条件下(如汽车安全应用中)良好的表现而知名。  

客制感测器满足独特设计需求  

在设计一个采用非接触式感测器(如干簧管开关或霍尔效应感测器)的系统时，设计工程师在设计过程开始之前了解尽可能多的有关整个系统的知识是非常有必要的。有时，独特的设计要求只有通过客制的传感解决方案来满足。  

数位应用通过采用客制的霍尔效应感测器或干簧管开关能够满足最高的可靠性标准要求，而利用旋转和线形霍尔效应感测器能够极好地实现在客制的模拟应用中的稳定性和准确性。在需要客制感测器设计的应用中，发挥创造力将有助于我们将现有的磁传感技术与设计高度可靠的感测器的协助工具结合起来。