採用霍爾效應傳感器實現燃油液位監測
2020-12-05 電子產品世界簡介
所有汽車都使用燃油液位傳感器 (FLS) 來指示燃油液面位置。但不同廠商往往使用各種不同方法來測量燃油液位水平，如電阻膜、分立電阻、電容和超聲波等方式。其中最常用的是基於電阻的傳感器，這些傳感器通過機械方式連接到浮子上，浮子可隨燃油液位上升或下降，隨著浮子的移動，傳感器的電阻也發生變化。所使用的傳感器是燃油表顯示電路中電流平衡電路的一部分，通常由用於驅動顯示針的線圈組成。當燃油傳感器的電阻變化時，指針的位置與線圈電流成比例變化。圖1顯示了典型的基於電阻的燃油液位傳感器工作原理。
基於電阻接觸傳感器的缺點是，由於傳感器元件內部的滑動接觸導致傳感器容易出現磨損和破裂，磨損會導致傳感器壽命縮短。
鑑於電阻接觸傳感器的缺點，本文介紹使用霍爾傳感器 IC 進行燃油液位非接觸感測的方法。
圖1 典型的燃油液位檢測裝置工作原理圖
非接觸霍爾傳感器 FLS
霍爾傳感器通常依靠感測通過 IC 的磁場而進行監測。對於燃油傳感應用，必須安裝徑向磁體，使其旋轉運動與浮子運動成正比。此外，傳感器需要安裝在靠近磁鐵的地方。與其他非接觸式傳感器技術相比，採用這種方法更簡單。磁鐵可以密封，以防止在燃油內部退化。即使燃油被汙染，傳感器工作也不會受到影響。
圖 2：均勻燃油箱和特性。
用於燃油液位感測的霍爾效應傳感器選項
Allegro能夠為燃油液位感測應用提供各種選項以滿足客戶對精度、線性、輸出接口和成本等方面的具體要求。
1. 線性霍爾效應傳感器
線性霍爾效應傳感器具有與絕對磁場成比例的輸出信號，輸出電壓隨磁場而變化。
A. PWM 輸出： PWM 輸出具有更好的抗幹擾性等優點。這些類型的傳感器適用於基於交叉線圈（cross-coil）的組合。
B. 模擬電壓： 在數字式組合中，通常使用微控制器來連接 LCD 和傳感器輸出。來自傳感器的模擬輸入電壓作為微控制器的 ADC 輸入。這些 IC 採用3.3V或5V電源供電，並與電源成比例。
兩點編程可提供磁鐵和氣隙變化的補償。Allegro 還提供多點編程以適應不規則箱體幾何形狀。
2. 角度霍爾效應傳感器
角度傳感器依靠磁場絕對角度而得到測量值。這消除了磁體和氣隙變化造成的誤差。
A. PWM 輸出：PWM 輸出IC具有很多優勢，比如更好的抗幹擾能力，並可以直接連接車載電池。
B. 模擬電壓：傳感器IC 提供與角度成比例的模擬輸出電壓。
圖3 非均勻燃油箱和特性
燃油箱結構
燃油箱結構因汽車型號而異。一些具有規則幾何形狀的燃油箱會導致線性體積浮動角度。對於這樣的燃油箱，只需兩點編程就已經足夠。圖2是規則型燃油箱及其特性的示例。
然而，大部分油箱在體積與浮動角度方面是不均勻的。圖 3 是典型不規則油箱及其特性。對於這些類型的燃油箱，輸出信號線性化需要 IC 多點編程。
圖4 用於燃油液位感測的典型交叉線圈組件
用於模擬 FLS（採用線圈組合）的線性 PWM 霍爾傳感器
如圖4所示，這是低成本應用中最常見的液位感測系統（FSU），其中顯示了交叉線圈的布置。線圈的一端直接連接電池，另一端通過串聯傳感器連接電池。當兩個線圈中的電流相同時，線圈復位到正常位置。當傳感器電流變化時，針偏離正常位置。這種安排可以消除電池電壓的變化。由於熱效應，傳感器電流與指針角度不是線性關係。
A1356 能夠 以最少的元件提供系統級比例（輸出根據電源電壓進行調整）輸出解決方案。A1356 還具有內部反向電池保護。該IC可提供兩點磁場編程來調整偏移和靈敏度。這可以允許4～18 V來補償磁體、線圈和製造氣隙公差。
圖 5 是基於 A1356 的 FSU 應用電路。
圖5 將 A1356的PWM輸出轉換為電流的電路
測試結果
圖6 顯示了相對於浮子角度的線性線圈電流。線圈電流隨電源電壓而變化，由於自熱效應，線圈電流本質上是非線性的。
圖6 浮子角度與線圈電流關係
用於數字 FLS（帶微控制器組合）的線性模擬霍爾效應傳感器
A1377 是一種可編程線性霍爾效應傳感器，可提供與磁場成比例的模擬輸出電壓。A1377 提供 4.5 至 5.5 V 輸入電源電壓的比例輸出。通過 ADC 接口所用集群提供的 5 V 電源為 A1377 供電。圖7是基於線性模擬霍爾效應傳感器的數字 FLS。
A1377 提供兩點磁場編程來調整偏移和靈敏度。這可以實現用戶來補償磁體、線圈和製造氣隙公差。對於不均勻的箱體幾何形狀，需要多點校準以實現線性體積輸出。
圖7 使用 A1377 的線性模擬霍爾效應傳感器的數字 FLS
圖8顯示了相對於浮子角度的線性輸出電壓。輸出電壓在浮子角度位移50度範圍是線性的。
圖8 浮子角度與輸出電壓關係
圖9顯示了燃油傳感器組件中的 A1377 線性傳感器和磁體布置。
圖9 燃油傳感器組件的 A1377 線性傳感器和磁體布置
適用於數字 FLS（配有微控制器集群）的角度霍爾傳感器
由於氣隙或磁體漂移導致線性傳感器受影響。線性角度傳感器還適用於最大60度的角位移。角度傳感器提供寬角位移測量，輸出電壓與氣隙和絕對磁場無關。A1330 是一款 360° 角度傳感器 IC，提供基於磁性圓形垂直霍爾效應 (CVH) 技術的無接觸角度位置。圖10是基於角度霍爾傳感器的數字 FLS。該應用使用徑向磁體。
可編程參數包括零點偏移，以提供靈活的磁體位置和用於全動態範圍的角位移。
圖10 使用 A1330 的角度霍爾效應傳感器數字 FLS
圖11是 A1330 輸出電壓與浮子角度關係（採用 6mm×3mm 徑向磁體）。結果顯示超過 75 度位移的線性輸出電壓與氣隙無關。
圖11 浮子角度與輸出電壓關係
結論
基於霍爾效應的燃油液位傳感系統能夠為汽車應用提供可靠的非接觸式燃油測量。Allegro 提供適用於不同 FLS 系統的各種霍爾效應傳感器，而且所有傳感器使用簡單的徑向磁體，並提供編程來實現線性輸出信號，同樣適用於不規則的燃油箱形狀。
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使用霍爾效應傳感器控制馬達速度
霍爾效應組件被用作鄰近傳感器，用於檢測定位、速度和電流，它們廣泛應用於馬達控制系統中。因為機械零件不會隨時間而磨損，所以霍爾效應傳感器是長期的解決方案，整合的封裝還可以減少系統尺寸、降低實施的相對複雜性。隨著各種各樣的技術解決方案可用於計算位置、速度和電流感測，設計師可以選擇最佳的解決方案來實現他們的目標。設計決策中的關鍵要素包括成本、解析度、精確度、可靠性和上市時間的要求。 -
一文看懂霍爾傳感器的大作用
霍爾傳感器是根據霍爾效應製作的一種磁場傳感器，廣泛地應用於工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。那麼霍爾傳感器的工作原理是什麼?這種傳感器都有哪些優點?主要參數有哪些?本文將一一解答。霍爾器件通過檢測磁場變化，轉變為電信號輸出，可用於監視和測量汽車各部件運行參數的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉速等等，並可將這些變量進行二次變換;可測量壓力、質量、液位、流速、流量等。霍爾器件輸出量直接與電控單元接口，可實現自動檢測。目前的霍爾器件都可承受一定的振動，可在零下40℃到零上150℃範圍內工作，全部密封不受水油汙染，完全能夠適應汽車的惡劣工作環境。 -
霍爾傳感器的分類、霍爾效應與霍爾傳感器的應用
霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應為其工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器是根據霍爾效應製作的一種磁場傳感器。 -
霍爾傳感器工作原理及主要特性
霍爾傳感器是根據霍爾效應製作的一種磁場傳感器，廣泛地應用於工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。那麼霍爾傳感器的工作原理是什麼？這種傳感器都有哪些優點？主要參數有哪些？本文將一一解答。採用功率霍爾開關電路可以減小這些現象。霍爾器件通過檢測磁場變化，轉變為電信號輸出，可用於監視和測量汽車各部件運行參數的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉速等等，並可將這些變量進行二次變換；可測量壓力、質量、液位、流速、流量等。霍爾器件輸出量直接與電控單元接口，可實現自動檢測。 -
線性霍爾效應傳感器在物聯網方面的應用
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什麼是霍爾效應傳感器？霍爾傳感器有哪五個關鍵應用？
數字輸出霍爾效應傳感器主要用於磁性開關應用中，以提供數字電壓輸出。這樣，它們向系統提供ON或OFF輸入信號。 數字輸出霍爾效應傳感器與模擬型傳感器的主要區別在於其控制電壓輸出的方式。磁鐵的正磁場或負磁場都會激活傳感器。在這種配置中，使用雙極霍爾效應傳感器的開關的觸發方式與傳統的簧片開關幾乎相同。但是，霍爾效應開關的另一個優點是沒有機械觸點，因此在惡劣的環境中更加耐用。 -
3D霍爾效應位置傳感器又出新品,可實現雜散磁場補償
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全微功率霍爾效應傳感器將開關變成智能裝置
線性霍爾效應傳感器能為消費者技術與物聯網應用帶來高價值的效益，但還必須大幅降低耗電量，以滿足設備設計人員與終端使用者的期許。以智能大樓內的保全系統為例，基本傳感器能偵測窗戶是否關上，而更具智能的傳感器則能讓系統得知窗戶是否上鎖。線性霍爾效應傳感器提供比機械開關等替代方案更為細膩的感測方式，機械開關為目前常見於遊戲杆或遊戲控制器等計算機配件內的技術。線性霍爾效應傳感器提供非接觸式位置感測解決方案，高度可靠，方便加入設計。 -
什麼是霍爾效應傳感器?
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本文將幫助解決在工業和汽車應用中與霍爾效應傳感器相關的三個常見挑戰：旋轉編碼、穩健的信號傳遞和平面磁感應。使用兩個霍爾效應鎖存器時，可以通過機械方法，即將霍爾效應傳感器與每個磁極相隔半個寬度加上任意整數個寬度來實現適當的兩位正交輸出。如圖1b所示，其中傳感器2位於N極/S極接口，而傳感器1與傳感器2的距離為一個全極點的寬度加上N極的半寬度。對於雙霍爾效應鎖存器，可以使用一個器件將兩個傳感器精確地隔開磁極的一半寬度。當然，這樣做局限性很大，因為必須將間距與環形磁極匹配。 -
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液位傳感器的具體分類
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一文解析霍爾效應傳感器
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