霍尔传感器的材料 一文解析霍尔效应传感器

一文解析霍尔效应传感器

磁传感器将磁或磁编码信息转换为电信号，以便通过电子电路进行处理。

磁传感器是固态设备，它们变得越来越流行，因为它们可以用于许多不同类型的应用，例如感测位置，速度或定向运动。它们也是电子设计人员的一种流行的传感器选择，因为它们具有非接触式无磨损操作，低维护，坚固的设计以及密封的霍尔效应设备，不受振动，灰尘和水的影响。

磁传感器的主要用途之一是用于感测位置，距离和速度的汽车系统。例如，曲柄轴的角度位置用于火花塞的点火角度，汽车座椅和用于安全气囊控制的座椅安全带的位置或用于防抱死制动系统的车轮速度检测（ABS）。

磁传感器设计用于响应各种不同应用中的各种正负磁场，一种类型的磁传感器，其输出信号是其周围磁场密度的函数，称为霍尔效应传感器。

霍尔效应传感器是由外部磁场激活的设备。我们知道磁场有两个重要特性：磁通密度，（B）和极性（北极和南极）。霍尔效应传感器的输出信号是器件周围磁场密度的函数。当传感器周围的磁通密度超过某个预设阈值时，传感器检测到它并产生称为霍尔电压V H的输出电压。请看下图。

霍尔效应传感器基本上由一块薄的矩形p型半导体材料组成，例如砷化镓（GaAs），锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs），它们通过自身连续的电流。当器件放置在磁场中时，磁通线在半导体材料上施加力，该力使电荷载流子，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经过半导体材料所经受的磁力的结果。

当这些电子和空穴移动侧边时，通过这些电荷载流子的积累在半导体材料的两侧之间产生电位差。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，并且这种效果在扁平矩形材料中更大。

通过使用磁场产生可测量电压的效果被称为18世纪70年代后发现它的霍华德霍尔的霍尔效应，霍尔效应的基本物理原理是洛伦兹力。以产生跨越所述装置的电势差的磁通线必须垂直，（90 ø到的电流的流动），并按照正确的极性，通常一个南极的。

霍尔效应提供有关磁极类型和磁场大小的信息。例如，南极会导致器件产生电压输出，而北极则无效。通常，当没有磁场存在时，霍尔效应传感器和开关被设计为处于“关闭”状态（开路状态）。它们仅在经受足够强度和极性的磁场时才变为“接通”，（闭路状态）。

霍尔效应磁传感器

基本霍尔元件的输出电压（称为霍尔电压，（V H））与通过半导体材料的磁场强度（输出αH ）成正比 。这个输出电压可以非常小，即使受到强磁场也只有几微伏，因此大多数商用霍尔效应器件都是通过内置直流放大器，逻辑开关电路和稳压器制造的，以提高传感器的灵敏度，滞后和输出电压。这也使霍尔效应传感器能够在更广泛的电源和磁场条件下工作。

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器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。该输出霍尔电压如下：

线性或模拟传感器提供连续的电压输出，其随着强磁场而增加，并且随着弱磁场而减小。在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，放大器的输出信号也会增加，直到它开始饱和电源施加的限制。任何额外的磁场增加都不会对输出产生影响，但会使其更加饱和。

另一方面，数字输出传感器具有施密特触发器，内置滞后连接到运算放大器。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，器件的输出在其“关闭”状态之间快速切换到“接通”状态而没有任何类型的接触反弹。当传感器移入和移出磁场时，这种内置滞后消除了输出信号的任何振荡。然后数字输出传感器只有两种状态，“ON”和“OFF”。

有两种基本类型的数字霍尔效应传感器，双极和单极。双极传感器需要一个正磁场（南极）来操作它们，一个负磁场（北极）释放它们，而单极传感器只需要一个磁性南极来操作和释放它们进出磁场领域。

大多数霍尔效应器件不能直接切换大电气负载，因为它们的输出驱动能力非常小，大约10到20mA。对于大电流负载，将一个集电极开路（电流吸收）NPN晶体管添加到输出端。

该晶体管在其饱和区域内作为NPN吸收开关工作，只要施加的磁通密度高于“ON”预设点，就会使输出端短接到地。

输出开关晶体管可以是开放式发射极晶体管，开路集电极晶体管配置或两者都提供推挽输出型配置，其可以吸收足够的电流以直接驱动许多负载，包括继电器，电动机，LED和灯。

霍尔效应应用

霍尔效应传感器由磁场激活，并且在许多应用中，该装置可以由连接到移动轴或装置的单个永磁体操作。有许多不同类型的磁铁运动，例如“正面”，“侧面”，“推拉”或“推 - 推”等感应运动。对于每种类型的配置，为确保最大灵敏度，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。

同样为了确保线性，需要高磁场强度的磁体，其对于所需的运动产生大的场强变化。有运动的用于检测磁场几个可能的路径，和下面是两个使用单个磁体更常见的感测配置的：头接通检测和侧身检测。

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装置，并且为了检测，它直接朝向活动面接近传感器。一种“正面”的方法。

这种正面接近方法产生输出信号V H，其在线性装置中表示磁场强度，磁通密度，作为远离霍尔效应传感器的距离的函数。磁场越近，因此磁场越强，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。可以使非线性装置在远离磁体的预设气隙距离处触发输出“ON”以指示位置检测。

侧向检测

第二传感配置是“侧向检测”。这需要以横向运动的方式将磁铁移过霍尔元件的表面。

侧向或滑动通过检测是用于检测磁场的存在，因为它移过霍尔元件的面例如固定的气隙距离内，计数旋转磁体或电动机的旋转速度是有用的。

取决于磁场经过传感器的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。这允许定向移动检测，其可以是垂直的也可以是水平的。

霍尔效应传感器有许多不同的应用，尤其是接近传感器。它们可以代替光学和光传感器使用，环境条件包括水，振动，污垢或油，例如汽车应用。霍尔效应器件也可用于电流检测。

当电流通过导体时，会在其周围产生圆形电磁场。通过将霍尔传感器放置在导体旁边，可以从产生的磁场测量从几毫安到数千安培的电流，而无需大型或昂贵的变压器和线圈。

除了检测磁铁和磁场的存在与否，霍尔效应传感器还可以通过在设备的有效区域后面放置一个小的永久“偏置”磁铁来检测铁磁材料，如铁和钢。传感器现在处于永久和静态磁场中，通过引入含铁材料对该磁场的任何变化或干扰都将被检测到，其灵敏度可能低至mV / G.

根据设备的类型，无论是数字还是线性，有许多不同的方法可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造的示例是使用如下所示的发光二极管。

位置检测器

当没有磁场存在时，该正面位置检测器将“关闭”（0高斯）。当永磁体南极（正高斯）垂直向霍尔效应传感器的有效区域移动时，器件变为“ON”并点亮LED。一旦切换为“ON”，霍尔效应传感器就会保持“ON”状态。

为了使设备和LED“关闭”，必须将磁场降低到单极传感器的释放点以下或暴露于双极传感器的磁北极（负高斯）。如果需要霍尔效应传感器的输出来切换较大的电流负载，则可以用更大的功率晶体管代替LED 。

非常详细的霍尔传感器介绍

霍尔传感器是一种磁传感器。它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

一、霍尔效应 霍尔元件 霍尔传感器

（一）霍尔效应

如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为：

式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

（二）霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

（三）霍尔传感器

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，如图2所示，是其中一种型号的外形图。

二、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。

（一）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。

（二）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。

三、霍尔传感器的特性

（一）线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

（二）开关型霍尔传感器的特性

如图4所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图5所示。

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

四、霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检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，这个磁场是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，转变成电学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。例如：

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，特别适合于高电压、大电流传感。

霍尔电流传感器工作原理如图6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7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，电压大小与位移大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。

（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

如图9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。下面列举两个实用电路加以说明：

电路1 防盗报警器：

如图10所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。

电路2 公共汽车门状态显示器：

使用霍尔传感器，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，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如图11所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，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。若三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。

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