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

霍尔效应原理？霍尔效应传感器工作原理？一文总结，几分钟搞懂

大家好，我是李工，创作不易 ，希望大家多多支持我 。

之前给大家讲过磁敏传感器，磁敏传感器的工作原理，还有各种类型的传感器，为了避免大家忽略掉本文的内容，关于各类传感器的文章文末有总结。

之前在讲磁敏传感器的时候，有简单介绍过霍尔（效应）传感器 ，今天就来详细讲讲。主要是关于以下6个方面，图片点击放大 观看。

什么是霍尔效应？

霍尔效应 是由带电粒子（如电子）相应电场和磁场的相互作用引起 的。更为形象生动的大家可以看下面这个霍尔效应原理动画图 。

霍尔效应原理动图画来源于外网

霍尔效应原理

当导电板连接到带有电池的电路时，电流开始流动。电荷载体将沿着从板的一端到另一端的线性路径。电荷载流子的运动导致磁场的产生。当磁体靠近板放置时，电荷载流子的磁场会发生畸变 。这扰乱了电荷载流子的直线流动。扰乱电荷载流子流动方向的力称为洛伦兹力。

由于电荷载流子磁场的畸变，带负电的电子将偏转到板的一侧，而带正电的空穴将偏转到板的另一侧。在板的两侧之间会产生一个电位差，称为霍尔电压 ，可以用仪表测量。

霍尔效应和洛伦兹力，蓝色箭头 B 表示垂直穿过导电板的磁场

霍尔效应原理 表明：当将载流导体或半导体引入垂直磁场时，可以在电流路径成直角的位置测量电压。

霍尔电压表示为 VH 由公式给出：

霍尔电压公式

霍尔效应传感器原理

当传感器周围的磁通密度超过某个预设阈值时，传感器会检测到它并产生称为霍尔电压 VH 的输出电压。具体的原理如下图所示。

霍尔效应传感器 基本上由一块薄薄的矩形 p 型半导体材料组成，例如砷化镓 (GaAs)、锑化铟 (InSb) 或砷化铟 (InAs)，其自身通过连续电流 。

霍尔效应传感器原理图

当霍尔效应传感器 放置在磁场中时，磁通量线对半导体材料施加一个力，使载流子、电子和空穴偏转到半导体板的任一侧。电荷载流子的这种运动是它们穿过半导体材料时所经历的磁力的结果。

当这些电子和空穴向侧面移动时，由于这些电荷载流子的积累，在半导体材料的两侧之间会产生电位差。然后，电子通过半导体材料的运动受到与其成直角的外部磁场的影响 ，这种影响在扁平矩形材料中更大。

霍尔效应提供有关磁极类型和磁场大小的信息。例如，南极会使设备产生电压输出，而北极则不会产生任何影响。通常，霍尔效应传感器 和开关设计 为在不存在磁场时处于“关闭”状态（开路状态）。它们只有在受到足够强度和极性的磁场时才会“打开”（闭路条件 ）。

霍尔效应传感器

在最简单的形式中，传感器作为模拟传感器工作，直接返回电压。在已知磁场的情况下，可以确定其与霍尔板的距离。使用传感器组，可以推断出磁体的相对位置。

通常，霍尔效应传感器 与允许设备以数字（开/关）模式运行的电路相结合，并且在此配置中可能被称为开关。下图为包含两个磁铁的轮子经过霍尔效应传感器，可以明显的看到灯的变化。

包含两个磁铁的轮子经过霍尔效应传感器

霍尔效应传感器

大多数霍尔效应器件不能直接切换大型电气负载 ，因为它们的输出驱动能力非常小 ，大约为 10 到 20mA。对于大电流负载，在输出中添加一个集电极开路（电流吸收）NPN 晶体管。 如下图所示：

该晶体管在其饱和区域中作为 NPN 灌电流开关工作，只要施加的磁通密度高于“ON”预设点的磁通密度，就会将输出端子短接到地。

输出开关晶体管可以是发射极开路晶体管、集电极开路晶体管配置或两者都提供推挽输出类型配置，该配置可以吸收足够的电流以直接驱动许多负载 ，包括继电器、电机、LED 和灯。

典型的霍尔效应开关图

霍尔效应传感器 可提供线性或数字输出。 线性（模拟）传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出，输出电压与通过霍尔传感器的磁场成正比。该输出霍尔电压为：

霍尔电压公式图

线性或模拟传感器提供连续的电压输出，该输出随强磁场增加而随着弱磁场减少。 在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，来自放大器的输出信号也会增加，直到它开始因施加电源的限制而饱和。

磁场的任何额外增加都不会对输出产生影响，但会使其更加饱和。

霍尔传感器测量方法--磁场的运动路径

霍尔效应传感器由磁场激活，在许多应用中，该设备可以通过连接到移动轴或设备的单个永磁体来操作。有许多不同类型的磁铁运动，例如“正面”、“侧身”、“推拉”或“推-推”等感应运动。

使用每种类型的配置，以确保最大灵敏度，磁通线必须始终垂直于设备的感应区域，并且必须具有正确的极性。

此外，为了确保线性，需要高场强磁铁，以便为所需的运动产生较大的场强变化。检测磁场有多种可能的运动路径，以下是使用单个磁体的两种更常见的传感配置：正面检测 和侧向检测 。

1、霍尔传感器测量方法--正面检测

顾名思义，“正面检测 ”要求磁场垂直于霍尔效应传感设备 ，并且为了检测，它直接朝向有源面接近传感器。一种“正面”的方法。

这种正面方法会产生一个输出信号VH，它在线性器件中表示磁场强度，即磁通量密度，它是距霍尔效应传感器的距离的函数。距离越近，磁场越强，输出电压越大，反之亦然。

线性器件还可以区分正磁场和负磁场。非线性装置可以在远离磁铁的预设气隙距离处触发输出“ON”，以指示位置检测。

2、霍尔传感器测量方法--侧身检测

第二种传感配置是“横向检测” 。这需要在霍尔效应元件的表面上横向移动磁铁。

当磁场在固定气隙距离内穿过霍尔元件的表面时，侧向或滑过检测对于检测磁场的存在很有用，例如，计算旋转磁铁或电机的旋转速度。

根据磁场通过传感器零场中心线时的位置，可以产生表示正输出和负输出的线性输出电压。这允许定向运动检测，它可以是垂直的也可以是水平的。

霍尔传感器--位置检测器

根据设备的类型（无论是数字的还是线性的），有许多不同的方法可以将霍尔效应传感器连接到电气和电子电路。一个非常简单且易于构建的实例如下图：

位置检测器

当不存在磁场（0 ）时，正面位置检测器将“关闭” 。当永磁体南极（正高斯）垂直移动到霍尔效应传感器的有效区域时，设备将“打开”并点亮 LED。一旦切换“ON”，霍尔效应传感器将保持“ON”。

霍尔传感器优缺点

优点

霍尔效应传感器 可以用作电子开关 。

对于线性传感器（用于磁场强度测量），霍尔效应传感器：

缺点

霍尔效应传感器提供的测量精度远低于磁通门磁力计或基于磁阻的传感器。此外，霍尔效应传感器漂移显着，需要补偿。

以上就是关于霍尔传感器的一些介绍，希望大家多多支持我，收藏 、点赞 、有什么疑问欢迎在评论区留言 ，还可以分享 给身边的工程师朋友。

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磁敏传感器工作原理不懂？看这一文就够了，图文结合，几分钟搞定

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