霍尔传感器 温度 关于霍尔效应传感器的11个误区

关于霍尔效应传感器的11个误区

多年来，设计人员一直在工业和汽车系统中使用霍尔效应传感器进行接近检测、线性位移测量、旋转编码和许多其他应用。随着时间的推移，更高的系统性能要求促使集成电路供应商提高灵敏度精度、集成更多功能、提供不同的传感方向和更低的功耗，从而将霍尔效应传感器的使用范围扩大到未来几十年。

本文将探讨有关霍尔效应传感器的常见误解，并在适当的时候将其与实际应用联系起来。

许多机电设计需要使用传感器检测物体，该传感器提供一个简单的逻辑信号来指示其存在或不存在。一个例子是笔记本电脑盖的关闭和打开，指示何时打开或关闭它。另一个例子是门窗传感器中的入侵事件。这些应用通常使用一个简单的霍尔效应开关，一旦超过内部磁阈值，该开关就会切换其输出电压。EETOP

虽然这些霍尔效应开关非常有用，但它们并不是唯一可用的霍尔效应传感器类型——锁存器和线性器件也很常见。与开关相比，主要用于旋转编码的锁存器只会在与之前经历的磁极性相反的情况下切换其输出。

对于精确的位移测量，线性霍尔效应传感器更可取，因为它们可以以高分辨率定义物体相对于传感器的位置。换句话说，它们提供的不仅仅是开和关信息。图 1说明了每种传感器的传递函数，包括可用的变体。

此图显示霍尔效应开关 (a) 和 (b)、锁存器 (c) 和线性传感器 (d) 和 (e) 输出响应。

线性霍尔效应传感器无疑是具有成本效益的解决方案，可提供可靠的磁信息。此类传感器的用户知道这一事实，但通常会考虑使用其他技术来满足他们的高精度要求。EETOP

例如，在工业机器人中，移动臂必须相对于目标物体精确定位。使用高精度线性 3D 霍尔效应传感器，例如德州仪器 (TI)的TMAG5170，可提供此类应用所需的精度（图 2）。此外，该器件的高精度和低灵敏度随温度漂移可能消除了对系统级校准的需要。

TMAG5170 是一款线性 3D 传感器，用于机械臂应用。

3. 霍尔效应传感器与霍尔元件相同

霍尔元件与霍尔效应传感器本质上是不一样的。霍尔元件需要偏置电路和差分放大器，是产生可用电压所需的最基本结构。与霍尔效应传感器相比，霍尔元件没有将所有支持电路集成到单个封装中。

图 3显示了这两种传感器的电路实现。霍尔元件通常用于精度不重要、成本极其重要且附近有差分放大器以最大限度减少外部噪声耦合的应用。此外，霍尔元件具有随温度变化的固有非线性变化，而霍尔效应传感器具有内置补偿功能，可确保在 -40 至 125°C 的宽温度范围内进行稳定测量。

这是霍尔元件 (a) 与霍尔效应传感器 (b) 的电路实现。

4. 霍尔效应开关不是簧片开关的有用替代品

如今，簧片开关在许多应用中仍然很普遍，例如门窗传感器。在安全警报系统中使用簧片开关的主要缺点是无法检测到篡改事件。通过使用线性 3D 霍尔效应传感器，设计人员可以利用任何未用于有源测量的通道来检测此事件。

另一个例子是在冰箱门中控制打开或关闭内部灯的确切位置。鉴于其严格的阈值滞后规格，霍尔效应开关提供一致的开合距离检测。

使用簧片开关的第二个主要缺点是它们无法使用标准的印刷电路板 (PCB) 组装程序。这些器件必须手工焊接到板上，从而使组装过程复杂化并增加成本。表 1比较了这两种技术。

5. 霍尔效应传感器无法实现低功耗解决方案

虽然某些霍尔效应传感器消耗的电流确实在个位数毫安范围内，因此不适合电池供电的应用，但其他霍尔效应开关支持低采样率（5 Hz 或更低）并且平均消耗的电流小于1微安。这些设备在高功率活动测量状态和超低功率睡眠状态之间循环，以实现低功耗。由于活动状态 (t active ) 持续时间比睡眠间隔 (t s ) 短得多，因此总平均电流消耗非常低。

这里的时序图显示了处于超低功耗睡眠状态时的低功耗电流消耗。

6. 霍尔效应传感器需要三根线来进行车外感应

市场上绝大多数霍尔效应传感器只有三个引脚——V CC（电源）、输出和 GND（地）——所以一般的想法是必须将三根线连接到传感器，这并不准确。如图 5所示，一个漏极开路、电压输出、三引脚霍尔效应开关仅用两根导线远程连接。

图5. 使用电压输出霍尔效应开关 (a) 和电流输出 TMAG5124 (b) 的两线制遥感。

当感应到磁场时，器件会通过 GND 引脚产生电流输出。如果未检测到磁场，则器件的输出将不会产生任何电流，进而不会通过 GND 引脚产生输出电流。请注意，确定电阻器的逻辑状态需要一个模数转换器 (ADC)，它可以集成到微控制器中，以及一个外部电阻器。这种配置的问题是它会在嘈杂的条件下产生无效的电压电平。

确保可靠的数据传输需要电流输出设备来减少或消除信号失真。例如，TMAG5124是一种双引脚解决方案，仅需要电源电压和接地即可运行。图 5显示了如何通过使用 GND 引脚传输低电平或高电平电流（均在毫安范围内）来实现该器件。

7. 使用霍尔效应传感器时，磁铁放置不灵活

磁铁相对于传感器的位置取决于许多因素——一些是系统级因素，而另一些则是传感器本身固有的。决定磁体放置的外部系统因素主要是磁体尺寸、磁体材料类型和工作温度范围。磁铁越大，产生的磁场就越大。

在最常用的磁体中，钕铁硼 (NdFeB) 磁体产生最强的磁场。因此，它们的尺寸通常较小。

在选择磁铁时考虑热量也很重要，因为它通常会降低产生的磁场。

影响传感器特定磁体放置的主要因素包括灵敏度水平、传感方向（平面内与平面外）、封装产品、板载传感器数量和可配置性。灵敏度更高的霍尔效应传感器可以检测到更远的磁铁。

大多数霍尔效应开关和锁存器检测垂直于封装表面的磁场，但有些可以检测封装的水平方向（或平面内）。TMAG5123就是一个很好的例子，当垂直位移不可能时，它可以在设计中提供更大的机械灵活性。另一个例子是使用能够监控多个轴的 2D 双通道锁存器。您几乎可以将它们放置在与磁铁相关的任何位置。

8. 霍尔效应传感器不适用于测量角度

霍尔效应传感器在许多位移应用中很受欢迎，但它们也用于绝对角度测量。通过策略性地将两个单轴线性霍尔效应传感器围绕旋转偶极磁体放置，每个传感器都可以拾取与另一个异相的磁场矢量。有了这些信息，使用反正切函数就可以很容易地计算出旋转磁铁的准确角度。

图 6显示了在两种不同封装类型中使用线性传感器的两种实现方式。另一种更优雅的角度测量方法是使用单个线性 3D 霍尔效应传感器（参见图 6b了解各种配置）。要了解角度测量，请查看 TI 的“使用霍尔效应传感器进行旋转运动的绝对角度测量”和“使用多轴线性霍尔效应传感器进行角度测量”。

图6. 使用两个单轴线性霍尔效应传感器 (a) 和一个线性 3D 霍尔效应传感器 (b) 进行绝对角度测量。

9. 霍尔效应传感器的工作范围非常有限

还有一些人认为霍尔效应传感器没有很好的实际使用范围，因为磁场随距离呈指数衰减。然而，具有高灵敏度的霍尔效应传感器可以从很远的距离检测到有用的磁场。

以 TI 的DRV5032 为例。表 2显示了使用小型低成本铁氧体磁铁 (12 × 12 × 6 mm) 提供的所有器件变体的正面感应距离。TI 的最低灵敏度 DRV5032ZE 可以检测 4.0 至 7.5 mm 的磁铁，而 DRV5032FA 版本的范围在 18.7 至 44.6 mm 之间。如果使用更坚固、尺寸相同的 52 级 NdFeB 磁体，该检测距离将增加到近 3 英寸。

10. 只有 TMR 传感器可以进行平面测量

设计人员通常会考虑隧道磁阻 (TMR) 传感器，因为它们具有高磁灵敏度、高线性度和低功耗。此外，TMR 传感器可以感应与封装水平（或平面内）的磁场。当今可用的大多数霍尔效应传感器都对垂直场敏感，但少数（例如TMAG5123）具有平面内传感能力。然而，使用霍尔效应传感器的一个优势是较低的总系统成本。图 7显示了平面内传感器的灵敏度方向性。

图7. 平面传感器的灵敏度方向性。

11. 使用霍尔效应传感器的系统很容易被篡改

这条确实是真的--使用干簧管和基本霍尔效应开关的系统有可能被篡改。大的外部磁场可以欺骗系统，使其相信一切都在正常工作。

解决这个问题的一个好方法是使用一个线性三维霍尔效应传感器。一个轴监测预定磁铁的存在，而另外两个通道检测外部磁场。通过使用每个通道都有可配置的磁性阈值的线性三维传感器，你在设置适当的 "篡改检测 "阈值方面有更大的灵活性。在图8所示的例子中，一旦阈值被越过，MCU就会收到一个中断信号。

图8. 显示了使用线性 3D 霍尔效应传感器检测中断信号

结论

霍尔效应传感器的使用如此广泛，以至于我几乎每天都能听到一种新颖有趣的新应用。我的期望是，这里给出的11个误区将激发您对下一代设计的想法。

原文

https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21234032/texas-instruments-11-myths-about-halleffect-sensors

霍尔传感器

霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。

未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额将保持20%到30%的高速增长。

与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。

什么是霍尔效应？

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应应使用左手定则判断。

在式(1)中：若保持控制电流Ic不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系，根据这一关系式，人们研制了用于测量磁场的半导体器件即霍尔元件。

霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。

什么是霍尔传感器？

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如下图所示：

霍尔传感器其中某型

霍尔传感器的优点及用途

许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。

采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。

例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。

目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40℃到零上150℃范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波

原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9600Vrms；

精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

宽带宽：高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs；但是，电压传感器带宽较窄，一般在15kHz以内，6400Vrms的高压电压传感器上升时间约500uS，带宽约700Hz。

测量范围广泛：电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。

结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

上图即是一种典型的霍尔传感器实现定位应用---一个轮上的两个磁铁经过霍尔效应传感器。图示中的轮子，带有两个等距的磁铁，传感器上的电压在一个周期内将两次达到峰值。

通常被用于计量车轮和轴的速度，例如在内燃机点火定时（正时）或转速表上。其在无刷直流电动机的使用，用来检测永磁铁的位置。

霍尔传感器广泛应用在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、通信 电源、电焊机、电力机车、变电站、数控机床、电解电镀、微机监测、电网监测等需要隔离检测电流的设施中以及新兴的太阳能、风能和地铁轨道信号、汽车电子等领域。

霍尔传感器的主要特性参数

前面介绍过了霍尔传感器是一种根据霍尔效应制作的磁场传感器，它的主要特性参数有以下几类。

(1)输入电阻R

霍尔传感器元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几欧到二百欧，视不同型号的元件而定。

温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔传感器电势变化。为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。

(2)输出电阻R

两个霍尔传感器电势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数位与输入电阻同一数量级。它也随温度改变顺改变。选择适当的负载电阻易与之匹配，可以使由温度引起的沉水电势的漂移减至最小。

(3)最大激励电流I---霍尔传感器参数

由于霍尔传感器电势随激励电流的增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流1M但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温皮升高，从而引起霍尔传感器屯势的温漂增大，因此每种型号的几件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至几百毫安。

(4)灵敏度K

灵敏度KH=EH/IB，它的数值约为10MV(MA.T)左右。

(5)最大磁感应强度BM---霍尔传感器参数

磁感应强度超过BM时，霍尔传感器电势的非线性误差将明显增大，特斯拉(T)成几千高斯(Gs)(1Gs=104T)。

(6)个等位电势

在额定激励电流F，当外加磁场为零时它是由于4个负极的几何尺寸不对称引起的误差。

(7)霍尔传感器屯势温度系数

6M的数值一般为零点刀霍尔传感器输出端之间的开路电压称为不等位电势，使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起日在一定磁感应强度和激励电流的作用下，温度每变化1摄氏度时，霍尔传感器电势变化的百分数弱为霍尔传感器电势温度系数，它与霍尔传感器元件的材料有关。

霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场。

霍尔传感器在各大领域的应用

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量。

例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。

1．电流传感器：

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。

利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

霍尔电流传感器工作原理如图所示：

标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

2．位移测量：

如图所示：

两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移距离大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移距离，便可测出拉力及压力的大小，如下图所示，是按这一原理制成的力矩传感器。

（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等 。

1．测转速或转数：

如下图所示：

在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

2．各种实用电路：

开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。

下面列举一个实例说明：

汽车车门状态显示：

现在汽车一般都有该功能了。这里使用了霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，配置电路示意如下：

三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的四个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若四个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。

霍尔传感器展望

霍尔传感器在中国市场增长率为两位数，在我们的日常生活中，霍尔传感器被广泛应用。例如，在翻盖或是滑盖的手机中，用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器；再如，在电脑键盘上，实现光标移动的滚动键就是由霍尔传感器组成的；还有，在汽车变速箱、电动门窗等需要电机的部件中也有霍尔传感器应用。我们在每天的生活中都在与霍尔传感器打交道。

霍尔传感器应用的领域不同，因此各个市场对它的要求也不尽相同。手机市场对霍尔传感器的主要要求包括尺寸、功耗和可调节的阈值。在工业和汽车应用方面，霍尔传感器首先要满足工业或汽车认证对器件的要求，例如安全性、稳定性和温度范围要达到相应的级别。

随着这些终端应用产品的不断发展，霍尔传感器也呈现微型化、高集成化、高灵敏度、耐温性发展。

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