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ag真人杀猪垂直霍尔技术在智能电表抗磁干扰方面

2020-10-25 18:19

  和电子系统都面临磁干扰的威胁。不法分子还可能攻击已启用的电子设备,如智能电表、ATM 机、赌博机/游戏机、自动售票机或电子锁等等,意图篡改或干扰它们,或窃取产品或服务。

  本文着重介绍了智能电表,但其中的原理也适用于其他系统。智能电表在全球范围内得到广泛应用,它能更高效和更准确地显示和监测用电数据。许多水表、煤气表和电表内都含有智能电子装置,它们能自动收集和传输使用数据。根据《Navigant Research》的研究 ,到 2018 年,全球每年智能电表的配送量将达 1.31 亿台。窃电行为是电力运营商和政府监管部门需要解决的首要问题。窃电者会使用磁铁干扰智能电表,试图使读数归零,或使用电量大幅减少。 据估计,每年因干扰智能电表造成的窃电损失约有 900 亿美元。ii.

  干扰电表常用的一种方法是使用强磁铁破坏电表检测耗电量的功能。 这种磁铁通常磁性很强,而且又大又沉。此类磁铁既能从网上购买,也可从废弃的电子产品和电脑(电子垃圾)中获取。当这类磁铁靠近电表时,它们会使变流器(检测通过电表的电流)达到磁饱和状态。磁芯饱和将导致电表无法准确判断通过的电流量。

  对电表制造商而言,虽然很难预防在使用电表时出现的窃电行为,但它们完全能检测干扰企图,这样就能及时采取应对措施,如派出工作人员或远程禁用电表。全球各地有许多机构正在制定智能电表的规范,包括电表检测干扰企图的相关要求。请参阅智能电表标准侧边栏,了解更多详情。

  ·高灵敏度:虽然在系统外部放置的磁铁可能有很强的磁性,远离磁铁时,它的磁场强度会急剧减弱;传感器内部的磁场强度可能比磁铁表面的磁场强度小得多;电表内使用的特定组件可能使施加磁场扭曲,如果传感器的灵敏度不够高,这会在传感器的检测区产生“阴影”或“孔洞”。

  ·较大的动态范围:有些磁感应技术对磁场强度有上限要求。霍尔效应技术对施加磁场没有上限要求。

  ·全极灵敏度:企图干扰电表的坏人不会在意磁铁的具体极性,他们会尝试所有磁极,最后找到有效的磁极;所以传感器在检测磁场时,应不受磁铁朝向的限制。

  ·全向灵敏度:许多老旧的磁传感器只能沿一个方向或平面感应磁场;由于外部磁铁可能沿任何方向对电表外部(正面、顶部、底部或两侧)的暴露 点施加磁场,因此传感器应在三个方向(X 轴、Y 轴和 Z 轴)具有相同的灵敏度。

  通常,当我们远离磁铁时,它的磁场强度会急剧减弱。例如,一块表面磁场强度为 6000G (600 mT) 的大稀土磁铁 (50 mm x 50 mm x 50 mm) 在距其 50mm(厚度的一倍)的位置测量时,磁场强度只有约 600G (60 mT)。图 2显示了这种现象。与较大的磁铁相比,较小的磁铁具有更小的影响范围。根据经验,在与磁铁厚度相等的距离测得的磁场强度只有原磁场强度的 1/10。

  如果传感器安装在电表内部,在确定传感器对外部磁铁(放在电表外面的任何位置)的感应灵敏度时,必须考虑与电表两侧和表面的距离。

  以前最常用的磁感应解决方案是霍尔效应传感器 IC。这些 IC 能利用霍尔效应检测磁场,霍尔效应是根据埃德温·霍尔命名的,他在 1879 年发现,当磁场沿垂直于导电板平面的方向通过导电板时,载流导电板上会产生电势差 。如图 3所示,在导电板上施加电流。与导电板(电流)垂直的磁场会产生沿导电板分布的差分电压。传感器测量到此电压时,说明存在外加磁场。注意,传统的平面霍尔效应传感器只能测量与感应导电板或表面垂直的磁场。如果是表面贴装的 IC,导电板通常要与安装传感器的PCB的平面平行。不管传感器的朝向/转向如何,它只能有效感应 Z 轴方向的磁场。

  有效感应 X 轴和 Y 轴磁场需要在单独的 PCB 上另外安装传感器,这些传感器不仅要互相垂直,而且要与母板或安装的含铅传感器垂直,还可能进行引线成型处理,这样就能确保霍尔板的朝向正确。这两种方法都会增加组件数量和成本、系统复杂性和组装成本。还可安装大量传统的平面霍尔传感器,并依靠“边缘”磁场激活它们,但这样仍会增加系统的成本和复杂性。

  人们已采用各种磁阻技术来创建磁传感器 IC。这些传感器通常具有平面响应能力,也就是说,它们能检测 X-Y 轴平面内的磁场,但对 Z 轴磁场的响应能力有限。此外,超强磁场还会导致传感器出现磁饱和,进而发生故障(动态范围有限)。由于干扰时通常会采用强磁场,所以这是一种明显的局限。

  霍尔效应传感技术最近取得的突破使我们能创建符合所有干扰检测要求的全向磁感应传感器 IC。随着 IC 设计和制造工艺的进步,我们现在能生产垂直霍尔传感器(参阅图 4)。垂直和平面传感器以相同的物理现象为依据,但采用了不同的构建方法:

  垂直:沿芯片的深度方向从顶部向底部排列;可感应 X 轴、Y 轴或其他方向的磁场

  平面霍尔元件能感应与 IC 封装的平面垂直的磁场,而垂直霍尔元件能沿与模具平行的轴(如 X 轴或 Y 轴)感应磁场。图 4显示了垂直霍尔板的构建详情。两个垂直霍尔传感器在单独 IC 内与平面霍尔传感器组合构成的磁传感器能感应任意方向(X 轴、Y 轴和 Z 轴)的磁场,而且能经受超强磁场强度的影响。过去,这种解决方案需要使用三个独立 IC,所需 PCB 面积最高为 56 mm2。AllegroMicroSystems 最近推出的 A1266 就是此类器件的一个实例(参阅图 5),这种小型表面安装 SOT-23W 封装只需 9mm2的 PCB。A1266 还具有极高的灵敏度(工作点,BOP),所以它能在更大的面积或体积范围内检测干扰企图。 表 1显示了目前可用技术的对比。

  不同传感器的响应图清楚显示了高灵敏度、全向、全极传感器的优势。下列图表假设有一个正面尺寸最大 290mm x 165mm 的矩形电表和一块 50mm x 50mm x 50mm 的 N45 磁铁(参阅图 6 和图 7)。

  待测试的传感器位于电表中间的正面下方 35mm 的位置。使用自动绘图仪使磁铁在电表外表面的上方 10mm 沿电表正面的长度和宽度方向移动。图 8显示了设置绘图仪对传感器的响应进行绘图。

  图 9显示了使用在 Z 轴方向具有最高灵敏度的传统平面霍尔传感器检测磁场时,这种假设电表的绘图结果。蓝色区域是磁铁位置,待测试的传感器在此能检测磁铁的存在。当磁铁位于传感器正上方时,传感器很容易就能检测到它。当磁铁沿 X-Y 轴平面移动时,气隙增大,磁场方向不再沿灵敏度最高的轴 (Z) 分布。但传感器能在 148mm x 148mm 的区域内检测磁铁。

  图9:采用 1D 平面霍尔传感器的干扰覆盖范围 (43%)(蓝色表示检测区域)

  图 10显示了使用由 2 个垂直霍尔元件和 1 个平面霍尔感应元件组成的单个 IC 封装全向 (3D) 霍尔传感器检测磁场时,相同的假设电表的绘图结果。蓝色区域是磁铁位置,待测试的传感器在此能检测磁铁的存在。当磁铁位于传感器正上方时,传感器很容易就能检测到它。当磁铁在 X-Y 轴平面内移动时,气隙增大,但由于磁铁偏离轴,所以影响减弱。在此情况下,传感器能在接近假设电表整个表面的更大范围(约覆盖区域的 280mm x 165 mm)内检测磁铁。

  图10:采用 3D 霍尔传感器的干扰覆盖范围 (92%)(蓝色表示检测区域)

  无论在哪种情况下,都可使用多个传感器覆盖更大的面积或体积范围。但需要很少的 3D 传感器覆盖较大的面积/体积范围。在显示的实例中,磁铁的朝向有利于被传统的平面霍尔 (1D) 传感器检测到。当磁铁的朝向改变或正对电表侧面时,图 9显示的性能会下降。

  这体现了 3D 传感器的另一个优势,即它能检测在电表外部随机施加的磁场。如果是更小的电表,如常见的单相家用电表,使用单个 3D 传感器 IC 就足以覆盖整个电表。像 Allegro MicroSystems, LLC 推出的 A1266 这种将平面和垂直霍尔元件融为一体的器件能在较大的面积/体积范围内检测磁场干扰,而且完全不受磁铁朝向的影响。这不仅极大简化了系统设计,而且还允许使用数量最少的传感器,进行最灵敏的干扰检测。

  全球各地有许多机构正在制定智能电表的标准和规范。这些标准中对电表检测干扰的要求越来越多。这些机构有些是政府组织,有些是专门成立的行业团体。独立电力运营商也能为其购买和部署的电表制定相应的标准。当涉及磁干扰时,不同标准关于具体规范和检测方法的细节可能千差万别。表 2 列出了为智能电表制定标准的一些机构。

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  HS是一款1080万像素,1英寸光学格式图像传感器,结合了高分辨率成像和3.4微米DR-Pix(动态响应像素),可动态调整以提供卓越的低光性能。在全分辨率下,AR1011HS提供60帧/秒(fps)视频;同时跳至120 fps的1080p高清模式。该传感器非常适合需要高分辨率的高端监控摄像系统,如电子平移,倾斜,变焦(ePTZ)等具有惊人的低光能力的功能。 4K超高清(3840 x 2190)分辨率为每秒60帧的模式,使传感器也成为专业消费类广播相机的理想选择。 应用 相机 安全 电路图、引脚图和封装图...

  美半导体的AR0239是一款1 / 2.7英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为1936(H)×1188(V)。它可以在线性或高动态范围模式下捕获图像,并具有滚动快门读数。它包括复杂的相机功能,如像素内装箱,窗口以及视频和单帧模式。它专为低光和高动态范围的场景性能而设计。它可通过简单的双线串行接口进行编程。 AR0239可以产生非常清晰,锐利的数码照片,并且能够捕捉连续视频和单帧,使其成为各种应用的理想选择,包括监控和高清视频。 特性 以90 fps的速度拍摄2.3Mp以获得出色的视频性能 小型光学格式(1 / 2.7英寸 1080p模式适用于16:9视频 卓越的低光性能 3.0um大背面照明像素技术 支持线读数以启用HDR处理ISP芯片处于1080P和30fps 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头着色校正 用于精确帧率控制的从模式 数据接口: - HiSPi(SLVS) - 4个车道 - MIPI CSI-2 - 4车道 - 平行 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 多相机同步支持 高速可配置上下文切换 具有灵...

  美半导体专注于卓越的像素性能,为该传感器的卓越图像质量奠定了基础,具有卓越的色彩精度,低光灵敏度和低噪声水平.AR0542是一款1/4英寸CMOS有源像素数字图像传感器集成了复杂的片上相机功能,如窗口,镜像,列和行跳过模式以及快照模式。它可通过简单的双线串行接口进行编程,功耗非常低。 应用 移动 电路图、引脚图和封装图

  是一款1 / 2.5英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为2592(H)x 1944(V)。它通过滚动快门读数捕获线性或高动态范围模式的图像,并包括复杂的相机功能,如分档,窗口以及视频和单帧模式。它专为低亮度和高动态范围性能而设计,具有线读出功能,可在ISP芯片中支持片外HDR。 AR0521可以产生非常清晰,锐利的数字图像,并且能够捕获连续视频和单帧,使其成为安全应用的最佳选择。 特性 5 Mp为60 fps,具有出色的视频性能 小型光学格式(1 / 2.5英寸) 1440p 16:9模式视频 卓越的低光性能 2.2 m背面照明像素技术 支持线读出以启用ISP芯片中的HDR处理 支持外部机械快门 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头阴影校正 精确帧率控制的从属模式 数据接口:♦HiSPi(SLVS) - 4个车道♦MIPI CSI-2 - 4车道 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 应用 终端产品 视频监控 高动态范围成像 安全摄像头 行动相机 车载DVR 电路图、引脚图和封装...

  图像传感器是一款1 / 3.2“光学格式1.4微米像素传感器,能够以每秒42帧的速度捕获其完整的8 MP传感器分辨率,以60fps的速度捕获1080P视频.A-PixHS(tm )技术将安森美半导体的第二代背照式(BSI)像素技术和先进的高速传感器架构结合在一起,实现了许多创新功能。它旨在实现低z高度相机模块,以满足OEM和移动设备制造商的需求。 特性 高动态范围 应用 移动 电路图、引脚图和封装图...

  AR0522 CMOS图像传感器 5.1 MP 1 / 2.5 近红外增强

  是一款1 / 2.5英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为2592(H)x 1944(V)。它通过滚动快门读数捕获线性或高动态范围模式的图像,并包括复杂的相机功能,如分档,窗口以及视频和单帧模式。它专为低亮度和高动态范围性能而设计,具有线读出功能,可在ISP芯片中支持片外HDR。ag真人杀猪 AR0522可生成非常清晰,锐利的数码照片,并且能够捕捉连续视频和单帧,使其成为各种应用的理想选择。 特性 5 Mp,60 fps,优异的视频性能 小光学格式(1 / 2.5英寸) 彩色滤光片阵列:RGB和单色 1440p模式适用于16:9视频 卓越的低光性能 2.2 m背面照明像素技术 支持线读出以启用ISP芯片中的HDR处理 支持外部机械快门 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头着色校正 用于精确帧率控制的从模式 数据接口:♦HiSPi(SLVS) - 4条车道♦MIPI CSI-2 - 4车道 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 近红外线增强 应用 终端产品 视频监控 高动态范围成像 机器视觉...