无霍尔传感器 无磁传感原理简介

无磁传感原理简介

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应环球表计邀稿，写了一篇有关无磁传感方面的科普性质的介绍，以便让大家了解近年水表圈热议的无磁到底是怎么回事。

以本人认识，从何谓无磁传感和无磁传感原理两部分来阐述，希望有助读者于理解该技术的基本原理。

何谓无磁传感

目前流体计量中所指的无磁传感是相对于磁体采样而言的定义，是种约定俗成的说法。具体来说，有磁采样是指机械水表中指示盘的旋转指针上，安装了小磁铁，采样是外部用干簧管或霍尔元件实现。无磁就是指旋转指针没有这种小磁铁，用不受磁影响的金属片替代磁铁，这种采集金属旋转转动及方向的技术，被称为无磁采样。

金属片的材质可以用不锈钢，铜等不受外部磁场影响的金属。

无磁传感原理介绍

无磁传感的基本原理包含 ：金属片上的傅科电流原理 ；产生电流的能量提供源 ；能量提供源头做采样判断。

块状金属处于变化磁场中或相对于磁场运行时，在金属体内部形成感应电流，这种电流的流线呈涡旋状闭合回线，所以叫涡流。由于该现象于 1851 年由法国物理学家傅科首先发现故又称为傅科电流（Foucault current）。

涡流的产生原理如图所示，线圈中的交变电流产生磁场，这个磁场从圆心径向分布，如图所示。磁力线是呈伞形分布的 ；而涡流则是与磁力线垂直、呈圆周分布的，无数的涡流就形成许多同心圆。实际上涡流是电磁感应现象的一种表现形式，都是从法拉第最早发现电磁感应原理派生出来的现象。

涡流中的趋肤效应：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的 “ 皮肤 ” 部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应（skin effect）。

水表中的部分金属化指针，就是在变化磁场中做旋转运动。部分金属化指针位置与磁力线垂直，转动过程中还伴有在转动轴心的上下位移。

结论一 ：目前采金属片旋转的方式均为该原理，也有把此无磁称为“抗磁”，实际上全都是金属片垂直切割交变磁场方式。

结论二 ：与金属片厚度无关，与金属片面积有关。

线圈 —— 金属片涡流能量提供源

交变磁场由线圈提供，线圈的形式可以是有铁氧体磁芯的电感、空心线圈、印制板 PCB 线圈等形式。线圈与电容组合成的 LC 谐振电路为金属片产生的涡流提供能量来源。线圈上的谐振频率和电压幅值由电路 LC 等参数决定，有兴趣读者可自查该方面资料。

其中磁芯线圈不抗外部强磁，尽管在无外强磁情况下也能检测金属片旋转，但属于笔者称谓之 “ 假无磁 ”。

从线圈即能量提供端采样判断金属旋转及位置

线圈作为金属片上涡流的能量来源，如果可以提供足够能量的话，是另外一种应用领域 ：加热产品。如家用的电磁炉，炼钢所用的电磁炉等等，都是利用了电涡流原理。

应用于水表流体中的线圈，其提供的能量有限，正是由于弱电源的原因，当金属片垂直于线圈即交变磁力线时，能量传递到金属片的瞬间，线圈自身的谐振幅值被拉垮，即明显的振荡衰减现象。这种明显的振荡衰减现象可被电路捕获，送入单片机中做出旋转和方向的判断。可以说无磁采样是电涡流原理在流体采样领域的特殊应用。

图示中红色波形为电感线圈位于金属片位置，蓝色波形部分为电感线圈位于非金属位置。红色部分明显谐振衰减。理解了这点可以回答关于无磁采样的误区：

误区一：无磁是收发式或者是雷达式。无磁采样就是利用了线圈谐振时电压衰减并被捕获，不是通信射频发送与接收的概念。

误区二：无磁功耗会很高？无磁功耗来源于激励瞬间时功耗，LC 振荡时电流在电感 L 与电容 C 之间流动，不会再有功耗的增加了。是目前已知的采样手段中功耗最低的方式之一。

对于无磁采样的原理，可简单总结为几点，方便理解；

金属片上产生的涡流需要能量 ；能量提供方的谐振电压被衰减；衰减的电压能被检测。

作者简介

张弦，从事电力仪表行业产品开发技术管理，国际市场开拓等工作近二十年。原就职于长沙威胜电子有限公司，2019 年创业成立长沙铨准电子科技有限公司，致力于解决电，流体底层传感计量产品，面向全行业提供精准计量的前端模块。

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无刷电机中霍尔位置传感器的作用及选型

无刷直流永磁电动机中转子霍尔位置传感器，主要起两个作用：

一、确定电子换相电路驱动电路中功率晶体管的导通角，从而确定电枢磁场的磁状态;

二、通过它检测出转子永磁体磁极相对定子电枢绕组所处的位置，以便确定电子换相驱动电路中功率晶体管的导通顺序。

不同的传感器，有不同的特点和不同的应用场合，为了实现这两个目的，可以采用无接触式旋转变压器、光电式传感器、磁阻元件传感器和霍尔开关传感器等。

无接触式旋转变压器和霍尔磁敏传感器是目前被广泛采用的两种转子位置传感器。无接触式旋转变压器除了结构复杂、体积较大和制造成本较高等缺点外，它具有安装定位方便、输出信号大、精度高、对环境条件要求不严、温度适应范围宽、工作稳定可靠，以及容易与电子换向电路的输入阻抗实现阻抗匹配等一系列优点。因此，旋转变压器被广泛地用于精密数控机床、军事装备和宇航技术领域之中。

霍尔开关传感器在具有质量轻、尺寸小、制造成本低和便于大规模生产等优点的同时，存在着对环境条件要求严、温度适应范围窄和可靠性差等缺点。因此，霍尔开关传感器被广泛地用于计算机的软硬盘驱动器、激光打印机、视听设备和家用电器等民用电动机产品中。

HAL1450 是一款双通道输出霍尔传感器集成电路，可用于替代MLX90224，芯片内部集成了2个相距1.40mm的霍尔传感器单元、电压调节器、信号放大器、温度补偿电路、施密特触发器，及2个开漏输出MOS管。这款双通道霍尔IC采用了先进的斩波稳定技术，因而能够提供准确而稳定的磁开关点。因为HAL1450的宽工作电压和宽工作温度范围，使得它非常适合用于汽车、工业以及消费电子行业中。

这款IC有贴片型的SOT封装和可以直接插入的直插TO-94扁平型封装，这两款封装都符合RoHS标准，也都可以应用在电机中的位置传感器。

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