位置和运动传感器在测试齿轮齿感应中的应用

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1   使用55075器件测试齿轮齿感应

最好的齿轮由冷轧低碳钢制成，烧结金属齿也可以使用，但必须注意确保材料成分和密度的一致性。

Littelfuse器件是一种可自动调节数字输出的齿轮速度传感器。传感器与齿轮齿之间的传感距离受多种因素的影响，包括齿轮齿的尺寸、齿轮的金属材质等级以及齿轮与传感器的对齐情况。通常情况下，齿和槽越大，感应间隙就越大。为获得最佳性能，传感器应尽可能靠近目标，最佳的感应距离应小于1 毫米。根据齿轮的几何形状，传感器的感应距离可能达到2毫米。

图1 齿轮齿

一般齿轮设计可参考以下示例：

W=4mm

S=5mm

T=6mm

G=1.5mm典型值

H=4mm

对于齿形尺寸较小的齿轮，传感间隙通常为0.5 至1.0 毫米。在最终选择之前，最好根据具体齿轮对传感器进行评估。

图2 磁通量浓度

目标的齿或槽应切割成略微倾斜的角度，以尽量减少目标经过传感器时从金属到空气过渡的突然性。Littelfuse轮齿传感器的典型气隙在1-1.5毫米之间。Littelfuse 55075包含一个用于灌电流输出的内部上拉电阻器。

在许多工业领域都是通过齿轮来检测速度和位置的。几十年来，人们一直在寻求将重复通过的齿转换为电脉冲的能力。纯机械系统在使用过程中存在磨损和故障问题，因此仅限于低速和低占空比应用。霍尔效应齿轮齿感应利用霍尔元件来感应磁铁与通过的铁质齿轮齿之间气隙中的磁通量变化。通过对霍尔信号进行数字处理，可以获得以下几个优势。峰值检测、峰值保持和电平比较均以数字方式完成。与最后一个齿轮齿和波谷相对应的最大和最小霍尔信号会被无限期地记忆下来，而不会出现模拟技术所产生的漂移。然后，电平比较将适应最后一个峰值。这就是真正的零速自适应速度传感器。它不受方位要求的影响，可以跟踪齿轮速度直至运动停止。接通电源后，它将立即检测到下一个轮齿的第一个边缘。数字信号处理确实会带来量化的不确定性，在速度较大时这种不确定性会更大。曲轴位置传感器等对时序要求极高的产品在高速运转时可能会出现精度下降的情况。

表1 推荐的操作条件，55075齿轮齿

为了用霍尔效应传感器检测通过的齿轮齿，必须提供一个磁能源。一种简单的方法是布置一块永久磁铁，使磁化轴指向齿轮齿的表面。当齿在磁铁表面移动时，磁通量会被铁钢结构提供的低磁阻路径吸引。

在这种情况下，传感器表面的霍尔元件和齿轮齿之间测量到的磁通密度就会增加。利用矢量磁通场的各种属性及其不断变化的性质来创建零速霍尔效应齿轮齿形传感器的方案已经开发了很多，有些还获得了专利。齿轮齿规格：

表2 电气特性，55075齿轮齿超过TA=--40~100℃，VOD=4.75至25.2 V，除非另有规定。

2   3线霍尔传感器：55100、55140

这些传感器采用CMOS 技术，由霍尔板、有源稳压电路、比较器和漏极开路输出组成。

输出为低电平灌电流，大多数应用需要外接上拉电阻。电源电压和上拉电压不必相同。可以使用标称电压为0V至24V的任何上拉电压。上拉电阻值仅受过热保护下最大输出漏电流10uA和推荐的最大输出电流20mA的限制。

表3 绝对最大额定值

磁铁的极性对霍尔传感器非常重要。“开关型”霍尔传感器由磁铁的南极激活。应将正确的磁极置于传感器的激活面上（有关激活详情，请参阅传感器数据表）。

该系列传感器采用斩波稳定技术。这一特性可在电源电压、温度和机械应力变化时提供几乎恒定的磁性特性。为了实现这一技术，内部振荡器会在基准采样和有源磁传感器采样之间切换放大器电路。振荡周期称为TOSC，为几微秒（参见规格书）。传感器的数字输出可能会延迟到这个量级。在大多数应用中，这种极小的延迟并不重要，斩波电路提供的稳定性远远超过了这种延迟。

表4 推荐工作条件

电气特性，55100 3 线，55140 3 线（注2）超过TA =-40 至90℃，VDD=3.8 至24.0 V，除非另有规定指定。

注1：超过绝对最大额定值的条件可能会导致传感器永久损坏。不建议在超出推荐操作条件范围外进行功能操作。长时间工作在绝对最大额定值条件下可能会影响设备的可靠性。

表5 电气特性

注1：超过绝对最大额定值的条件可能会导致传感器永久损坏。不建议在超出推荐操作条件范围外进行功能操作。长时间工作在绝对最大额定值条件下可能会影响设备的可靠性。

表6 绝对最大额定值54100、54140（注2）

（@TA=+25℃，除非另有规定。）

3   模拟霍尔传感器：55100-AP、55140-AP

模拟霍尔传感器是利用霍尔效应测量磁场的半导体器件。它们通常使用CMOS 技术实现，因此可以对传感器的各种参数进行编程和定制。这些传感器的一些主要特点和特性如下：

1) 客户预设：模拟霍尔传感器可依据特定磁场强度（以高斯为单位）预设一个相对应的输出电压。这样就可以根据应用的具体要求定制传感器。

2) 可编程：传感器的电参数可编程，不同的参数可实现定制化，如磁场范围、灵敏度、输出电压范围和温度系数。这种灵活性使传感器适用于各种应用。

3) 比率输出：传感器的输出电压以电源电压为基准。这意味着输出的电压值在基于电源电压的情况下与磁场强度成正比。即使电源电压发生波动，比率输出也能提供稳定、准确的测量结果。

4) 容错性：传感器设计用于处理不同的故障条件，如电源开路、接地开路或电源对地或电源电压过压/ 欠压。这确保了即使在具有挑战性的情况下也能可靠运行。

5) 总误差：传感器的总误差（包括所有误差源）在整个工作电压和温度范围内小于2%。这一精度水平使传感器适用于精确测量应用。

总之，采用CMOS 技术的模拟霍尔传感器为汽车、工业和消费电子等各种行业和应用的磁场测量提供了一种通用、可靠的解决方案。

表7 电气特性54100、54140

（@TA=+25℃，VCC=3.0 V）

AP系列模拟霍尔传感器的标准编程具有2.5 Vdc 的预设电压输出，随着磁场强度的增加（磁极接近传感器面），输出电压下降至约0 Vdc。可通过编程接口和专用编程软件来实现定制化。

4   3线TMR传感器54100、54140

TMR（ 隧道磁阻） 传感器采用CMOS 技术， 由TMR 传感元件、带隙调节器、比较器和推挽输出组成。输出为低电平有效（灌电流）和高电平有效（拉电流的）。推荐的最大输出电流为6 mA。

表8 磁特性54100、54140

（@TA=+25℃，VCC=3.0 V）

全极传感器既可以用磁铁的北极来激活也可以用南极来激活。一旦超过BOP 临界值，任意磁极都会激活传感器（输出灌电流到地）；而当超过BRP 临界值时，任意磁极都会释放传感器（输出上拉至Vcc）。磁铁的磁极应正对于传感器出线侧相反的那一面。

注2：大于上述“绝对最大额定值”的应用可能会对器件造成永久损坏。这些只是应用强度评级；不建议器件在任何其他超过本规范所示条件的条件下的功能操作。器件的可靠性可能会受到长时间工作在绝对最大额定值条件下的影响。

图3 3线设计

5   定制设计传感器

Littelfuse专注于满足客户的特殊要求，提供全方位的内部工程服务能力。

6   EMC和ESD

对于一些应用有来自于电源线的干扰或辐射，建议使用串联电阻器和电容器。串联电阻和电容器应尽可能靠近传感器。根据产品标准DIN 40839，采用这种布置的应用可以通过EMC 测试。

图4 2线设计

7   过电压保护，55075除外

连续供电的绝对最大额定电压为24V。如果电源电压超过28V的齐纳电压，传感器的损耗电流就会增加。传感器只能承受短时间的超过齐纳电压的电压。为了保护霍尔传感器免受过压影响，需要外接一个串联电阻。该串联电阻上的压降随着电源电流的增加而增大。齐纳二极管与（外部）串联电阻器组合后可作为箝位电压装置，将传感器的电源电压限制在齐纳电压范围内。

8   反向电压保护，55075除外

最大反向电压为-15 V。举例来说，如果传感器要使用汽车的12 V 电源供电，可能会出现连接错误，但不会造成损坏。正如过压保护一样，使用外部元件可以提高该反向电压保护值。

9 温度、电压和功率

与所有固态半导体器件一样，霍尔和TMR 传感器也有一个最高工作结温。工作结温取决于传感器的耗散功率（电压乘以电流）、封装的热阻、安装配置的散热器的散热效果、任何空气流动以及环境（空气）温度。由于内部功率和自热，在电源电压较高时，可通过降低最高工作温度的方法，将结温限制在可接受的值。

10   ESD预防措施

Littelfuse 半导体产品对静电放电（ESD）敏感。在处理霍尔效应传感器时，始终遵循ESD 控制程序。