中心论题：

• 霍尔效应传感的物理原理。
• 霍尔效应速度传感器在环形磁场检测中的应用。
• 霍尔效应速度传感器用于叶轮检测。
• 霍尔效应速度传感器在轮齿检测检测中的应用。

• 采用标准的双极和CMOS集成电路工艺制造降低成本。
• 在传感器IC中集成了前置放大器和阀值检测器提高灵敏度。
  
• 兼容TTL的逻辑输出弥补霍尔效应传感器检测某些特定信号的不足。

在高度污染和在极限温度的工作环境下，霍尔效应设备可提供坚固可靠且成本低廉的速度传感产品，并可采用环形磁铁、叶轮结构和齿形结构进行实施，各种应用中经常需要测量旋转轴的速度。光学编码器通常用于需要高角度分辨率或升级速率的情况下，但某些情况下这种传感器有些大材小用，对多数的工业、消费产品、自动设计，每轴旋转为几个脉冲的分辨率更为合适。

霍尔效应速度传感器为轴速度测量提供了坚固的、低成本解决方案。这种传感器以检测磁场的原理工作，具有防尘、防油和防其它会造成光学传感器严重故障的污染。此外，由于强磁场（超过100高斯）通常很少在自然界中存在，磁场速率传感器不受偶然触发和其它形式的干扰。

三个可以采用霍尔效应传感器实施的最常见的速度传感方案为：环形磁场检测、叶轮检测和轮齿检测，这些方法的每一种都需要在所监测的轴上添加特殊的检测目标，需要特殊类型的传感器来检测该目标。本文将探讨用于实施每个以上传感方案中的目标和传感器的特性。

霍尔效应传感
选择霍尔效应传感技术，而不用其它技术的一个主要原因就是硅霍尔传感器可采用标准的双极和CMOS集成电路工艺制造，这表明大量的信号处理电路可以集成到同一晶圆上来设计传感器，并且霍尔传感器能以较低的成本制造。

霍尔效应的基本大原理是电流中的移动电荷载体以适当的角度被折到其原来的轨迹中和外部施加的磁场中。在金属中，这种效应非常小，很难测量。霍尔效应在半导体（如硅和砷化镓）中虽然也很小，但足以使磁传感器测量到1～10,000高斯范围的磁场。由于半导体霍尔传感器的敏感度仍然很小（10到100µV/高斯），通常在实际应用中还需要额外的信号调节处理。幸运的是，许多半导体厂商在传感器IC中集成了前置放大器和阀值检测器。

环形磁场检测
环形磁铁是一个盘状或圆形磁铁，经过磁化能够产生交互的北极和南极。由于磁极的边界通常没有任何标记，每个磁极的数量、位置和大小并不明显，使用磁观察膜可以看到磁极的排列图形，当将其放置在环形磁场中时，可清晰地显示出磁极的轮廓。

从概念上讲，环形磁铁是最简单的霍尔效应速度传感器。环形磁铁安装在轴上，旋转时会经过一个适当的磁场探测器。磁探测器中的传感器元件只能对环形磁铁产生的磁场提供毫伏级的信号响应，所以多数商业产品包括板载的信号处理和接口电子器件，都提供了兼容TTL的逻辑输出。多数商业产品可两种模式中的任意一种下工作：开关模式（输出在某一特定磁极出现时被激活，南极消失后关闭）或锁定模式（输出在某一特定磁极出现时被激活，直到出现相反的磁极时关闭）。

锁定模式运行比开关模式的优势在于，可提供更一致的占空比输出，并允许增大环形磁场到传感器之间的空间。无论哪种情况，传感器每转都会为每个轮齿磁极的南北极对提供一个脉冲。以10个磁极的环形磁场为例，每转只能产生五个脉冲。

叶轮检测
环形磁铁可实现易于实施的速度传感方式，但适合的磁铁成本却很高。对价格比较在意且所需工作量较大的用户，最佳的方案通常是叶轮检测。叶轮检测采用薄铁目标来屏蔽由偏磁产生的磁场的磁传感器。当铁质目标不在时，磁场传感元件可检测到偏磁的存在。当目标放置在磁铁和传感器之间时，它将磁力线绕过传感器。为了有效地绕过磁场，目标所在区域必须比磁铁区域和其在磁铁和传感器之间的中空地带相当。

一个叶轮检测器的例子是Cherry VN101501。该设备封闭在一个类似很多光插断器的外壳中。偏磁铁在其中的一个塔状结构内，而传感器元件在其它塔状结构中。传感器集成了信号调节功能、提供了开关式数字输出。由于磁铁、传感器和外壳设计成可适合多种目的，用户对磁场改进的需要被大大减少了。

在使用叶轮检测器时通常会遇到两个问题，这两个问题通常也是用户在试图从光插断器设计迁移到磁场叶轮设计时出现的。首先是选择材料的问题，要使磁场叶轮有效，必须绕开磁场，这是使用材料的重要原则，如塑料、铝和多数不锈钢，都是非铁磁体。即使材料合适，如果厚度太薄，也可能无法可靠地触发磁场叶轮检测器。第二个问题是偏磁铁会对目标产生很大的机械作用力，会将其拉向所检测缺口的方向。如果轴提供的力矩（如电机输出）很大，通常就不会有很大问题；但如果力矩大小不够（如流量计），通常采用环形磁场感应方案。

轮齿检测
对于速度传感器，普通铁齿轮代表着最具挑战类型的目标。不幸的是，他们也是目标的最佳材料，因为这些材料已经出现在机械系统中作为功率传输部件。除了齿轮，轮齿传感器还可用来检测轮齿形状的物体，如螺栓头、滚子链和金属冲压件等。因为齿轮通常未经磁化，必须经过在磁场中由传感器组件生成的扰动进行检测。有各种技术可实施多种轮齿传感器方案，我们在此讨论的只是最常见的可用霍尔效应技术实施的类型。

最简单的轮齿传感架构如图1所示，传感器元件放置在磁铁表面上。当轮齿经过此组件的前端时，会导致传感器元件所检测到的磁场增加。当齿根经过传感器前端时，磁场强度下降，通过设置适当的阀值水平，可以检测到轮齿的出现。这种类型传感器的主要问题是如何确定一个适当的阀值。采用这种方式的传感器通常有一个动态调节阀值电路，该值可根据所检测到的磁场进行调节，图2显示了从这种传感器中所得到信号的示例。

另一种类型的轮齿传感器为梯度检测器。对很多应用来说，如汽车点火正时系统，必须知道目标经过传感器的确切时间。前面讨论的单元件轮齿通常无法提供良好的边沿检测连续性，特别是在目标与传感器之间的空间发生任何变化时。测量传感器前方的梯度可明确地显示轮齿边沿的位置。实际的梯度很难测量，但可以减去两个放在一起的传感器输出来得到最近似的值，如图3所示。

从单个传感器元件得来的信号外形类似于从单元件传感器中得到信号，但在每个传感器“看到”目标的不同部分时会发生变形，一个信号连着另一个信号，将两个信号相减得到梯度信号，清晰地体现了轮齿边沿所在位置（图4）。要得到高质量的梯度信号，需要很好地匹配单个传感器元件的敏感度和偏移值。

实施的重要问题是在哪里设置阀值，来区别导入边沿和导出边沿。我们针对苛刻条件下的应用开发了各种信号调节方案，从简单的模拟阀值检测到精细的数字信号处理系统，对于多数应用，简单的信号调节电路就已经足够了。