霍尔传感器 线性 快速扫盲｜霍尔传感器的工作原理

快速扫盲｜霍尔传感器的工作原理

霍尔效应是美国物理学家 Edwin Hall 于 1879 年发现；

由于导体中电流的性质，电流是由电子的定向移动所形成的，并且电子移动的方向和电流方向相反；通常，电子脱离之后的导体便留下了空穴，表现为正电压；

如果导体周围存在足够强的磁场，这时候电荷会受到一种称为洛伦兹力的力，电荷移动的路径便会发现偏移，因此，偏移的电荷会积累到导体的同一面上，而另一面留下空穴，这样导体之间便产生了电势差；

霍尔效应产生的电势差非常小，往往只有几微伏，因此霍尔传感器中往往内置了非常高增益的运算放大器，根据整体需求还会配合其他一些系统电路，整体架构如下所示；

通常霍尔传感器最终输出的信号有模拟信号和数字信号两种；

输出数字信号：一般在运算放大器后级增加一个施密特触发器，则输出信号为数字信号，通常为系统提供相应的迟滞和开关阈量，类似的如开关型霍尔元器件；

输出模拟信号：线性霍尔传感器的输出量是模拟信号，配合 ADC 进行采样，可以用于检测物体的位移；

开关型霍尔根据输入信号和输出关系的不同可以分为：单极性霍尔，双极性霍尔，全极性霍尔；

单极性霍尔的开关特性通常是磁场的磁极和传感器的正反面要一一对应，否则可能会没有输出，具体如下表所示；

2.2 双极性霍尔

相较于单极性霍尔，双极性霍尔传感器可以锁存输出电平的状态，直到下一个输入到来，才会改变输出状态，广泛的应用与直流无刷电机，计数，定位等系统中；

2.3 全极性霍尔

全极性霍尔开关会在磁场 S 极靠近正面时输出低电平，N 极靠近正面，输出高电平；

3 磁编码器

磁编码器内部就集成了 Hall 元件，在正面存在旋转磁场的时候，就可以输出相应的信号，这样就可以实现非接触式得测量转速，位置信号，因此在工作环境严酷的情况下，该应用场景就非常理想；具体检测方式如下图所示；

工业应用：

非接触式旋转位置检测；

机器人技术；

无刷直流电动机换向；

电动工具；

汽车应用：

方向盘位置检测；

油门位置检测；

传动变速箱编码器；

头灯位置控制；

电动座椅位置指示器；

办公设备：

打印机、扫描仪、复印机；

取代光学编码器；

前面板旋转开关；

取代电位器；

这里简单介绍一下，其具体的应用方式会因为 IC 的不同而有所差异，但是这些也都是基于 Hall 传感器的基础上进行展开，所以这里这是概念性的介绍；

4 总结

霍尔传感器的应用非常广泛，根据输出信号不同，可以分为开关型霍尔和线性霍尔；

开关型霍尔根据感应方式不同可以分为单极性霍尔，双极性锁存霍尔和全极性霍尔；本文只是结合作者的实际使用情况进行简单地进行

介绍;

因为作者能力有限，难免存在错误或纰漏，请各位不吝赐教

霍尔传感器的原理是什么？有哪些应用？有什么优缺点？

成都的冬天是不是来了，昨天竟开始变得有点小冷了。

估计米亚罗的红叶又开始“泛滥”了。

但是我哪里也不去，呆在家里写日记。

本来我是想接着上一篇，再写一下直流电机，还有伺服电机的。

但是，我在看直流电机文档时，发现需要先理解霍尔传感器。

所以今天还是先说下霍尔传感器的原理。

这篇日记不长，读起来也很轻松。

花5分钟时间，我们来了解一下霍尔传感器。

开始吧。

1.霍尔传感器的原理

说起霍尔传感器，其实它的基本原理，还得从我们中学时学过的洛伦兹力说起。

霍尔传感器的原理，公众号：罗罗日记

霍尔传感器的原理

左图：电子受到的洛伦兹力向右。右图，霍尔感应：薄板左右两侧因电势差，形成电压，称为霍尔感应电压。

我们知道，电子在磁场中运动时，会受到洛伦兹力(Lorentz force)的作用。

如上，我们先看左边这幅图，当电子向上运动时，其产生的电流向下。

好了，我们使用左手定则 ，让磁场B的磁感线（射入屏幕）穿入手心，也就是手心向外，并用四指指向电流方向，也就是四指向下，那么，大拇指的方向就是电子的受力方向。

在这幅图中，电子受力向右。

所以在外磁场的作用下，薄板中的电荷会向一侧倾斜。

在上面的例子中，电子向右侧倾斜，那么就会在左右两边形成电势差。

如右图，如果用电压表接在左右两侧，那么会检测到电压。

这就是霍尔感应的基本原理。

检测到的电压叫霍尔感应电压。

如果取走外磁场，那么霍尔电压消失。

如果用形象的图来表示，霍尔感应就像下面这张图。

i表示电流方向，Bi表示电流方向，B表示外磁场方向，V表示霍尔电压，盒子中的小圆点可以看作是电子。

当然，实际的霍尔传感器，其实很小。

下面是一个霍尔传感器的内部结构。

霍尔传感器工作示意图

外部旋转磁场经过传感器，产生周期变化的信号，再通过传感器内部电路处理，输出数字信号，或者模拟信号。

其核心就是感应外部磁场（输入），产生电压（输出）。

这就是霍尔传感器的工作原理。

是不是很简单。

2.霍尔传感器的分类

按照输出量是数字量还是模拟量，霍尔传感器分为数字式和模拟式两种。

根据激活和关闭工作特性，霍尔传感器又分为单极式和双极式两种。

数字式霍尔传感器电路图

数字式霍尔传感器输出量

模拟式霍尔传感器电路图

模拟式霍尔传感器输出量

双极式霍尔传感器：分别用磁铁的两极来触发和释放霍尔传感器

单极式霍尔传感器：仅用磁铁的S极来触发和释放霍尔传感器

3.霍尔传感器的应用

上面，我们对霍尔传感器的原理和基本类型有了大体的认识。

那么，接下来，我们看看霍尔传感器有哪些应用。

当然，首先就是用在直流无刷电机上。

示意图如下，具体工作原理我们下一篇再讲，这里不过多解释。

霍尔传感器在无刷直流电机中的应用：霍尔传感器感应转子的位置，然后告诉控制器怎么改变线圈通电次序。

用作近传感器

探测纸的存在

作为互锁感应

作为速度传感器

当然，实际上，霍尔传感器还有更多的应用，以上只是部分例子（大部分例子来自Honeywell）。

到这里，我们说了霍尔传感器的一些应用。

那么霍尔传感器有什么优缺点呢？

4.霍尔传感器的优缺点

因为是利用磁感原理，所以霍尔传感器有如下的优点：

（1）可用于探测多种物理量，例如位置感应，速度以及运动方向的感应。

（2）因为是固态设备，而且没有活动部件，所以不会出现摩擦及磨损，理论上有无限寿命。

（3）稳固，高重复性，几乎免维护。

（4）不受振动，灰尘和水的影响。

（5）可应用于高速测量，例如大于100KHz，而电容和电感式传感器在如此高速应用时，输出信号就会变得扭曲。

（6）低成本。

（7）体积小，可用于表面贴装。

当然，也正因为如此，它也有一些缺点：

（1）线性霍尔传感器，测量距离受限。

（2）因为利用磁性，所以外部磁场可能会影响测量值。

（3）因为高温会影响导体电阻，反过来，会影响载流子的迁移率和霍尔传感器的灵敏度。

好了，让我们回顾一下，今天说了哪些东西。

霍尔传感器的原理，霍尔传感器的分类，霍尔传感器的应用，霍尔传感器的优缺点。

差不多了，今天就到这里吧。

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对了，不要太想我，我们下一篇直流电机的工作原理再见。

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