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

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。

什么是电磁悬架？给汽车底部安装8个钕磁铁，瞬间秒杀百万豪车

导语

山东济南的一家汽修店老板通过将8个具有超强磁力的钕磁铁安装在汽车底部，改造了车辆的悬架系统，新的悬架系统比传统的悬架系统要好得多，不但实现了抗震减震的作用，而且还能够实现增力电磁悬架的效果，给车辆增加了10%~20%的动力。

如果按照普通的悬架来说，安装此类悬架至少需要车主8万元。

而这位汽修店老板只用了2000元，就将车辆的悬架系统进行了改装，相当于车主少花了68000元，那么他是如何利用钕磁铁这种方式来改造汽车悬架呢?

汽车悬架的分类。

悬架系统一般是指悬架弹簧、减振器、横拉杆、纵拉杆、横向稳定器等零部件构成的系统。

用于支撑和连接车体与车轮，使车轮跟随不平的路面运动，同时对车体发生的短促振动和脉动振动起减振作用，使车身能够保持平稳，并使乘坐在车辆上的乘客感到舒适。

随着汽车的不断发展，对悬挂的要求也越来越高，当前的汽车悬挂大致可以分为常规悬挂、空气悬挂、电磁悬挂三种。

而常规悬挂是利用弹簧和减震器构成的，它将车轮悬挂在车身上，同时也将车身悬挂在车轮上，从而使车轮能够跟随不平的路面运动。

对于传统的悬挂系统来说，它最大的优势就是在承载力方面居于领先水平，同时还可以用来对汽车进行高度的调整，非常灵活。

由于它是通过弹簧和减震器来构成悬架系统的，因此在弹簧对汽车进行支撑的过程中，不同的弹簧所具有的弹力系数就会导致悬架的硬度有所不同，从而使得汽车在行驶时显得不够稳定。

而且在采用了弹簧减震器的悬架后，会使车辆的整体质量增大，因为弹簧的重量是不可忽略的，因此这也会在一定程度上影响汽车的燃油经济性，所以目前比较普遍使用的是空气悬架和电磁悬架。

首先是空气悬架，这也是近几年来流行的悬架系统之一。

它通过气压悬架系统，在车轮上方设置一个用来储存空气的储气器，这样利用空气的特性，充气以后，在气压的作用下发生体积增大，因此可以起到减震的作用。

同时也可以通过增减气压的方式来控制减震器的刚性。

另外还可以通过对前方路段的扫描信息，来根据路面情况来设置气压，使之达到最佳的状态，从而起到减震的作用。

同时还可以利用气压悬架系统将车身的高度进行调控，那么相对于普通的悬架系统来说，空气悬架系统的舒适性要好一些，但是价格也要高出许多。

电磁悬架系统。

此外还有一种比较新兴的悬架就是电磁悬架，电磁悬架是通过在车身上设置一个线圈，车轮上面设置一个永磁体来构建的，通过对线圈进行通电，就可以使永磁体和线圈上的电流之间产生引力。

在车身上和车轮上都进行安装的话，就可以使车身和车轮之间产生电磁力，从而使车身和车轮之间产生相互排斥的力量，使车辆保持在平稳的行驶状态。

可以说这种悬架就像是一个巨型的电磁铁，用另一个电磁铁来支撑，只不过它并不是永磁体，而是通过线圈中产生的电流来构建的电磁力。

这种悬架通过利用磁铁之间的相互排斥的力量，可以使汽车保持平稳，从而使车辆在行驶的过程中不会出现颠簸等情况，体验起来更加舒适。

电磁悬架的原理和目前大部分都是气垫悬挂系统进行的改装，只不过气垫式悬挂系统是通过刚性的空气进行的支撑，而电磁悬挂系统则是通过气垫式悬挂系统中的气压改为了电磁力，但是其原理都是差不多的。

为了在遇到不平的路面时，能够在1毫秒内做出反应，因此在做出反应的时间上来说，电磁悬挂系统要远远领先于传统的弹簧减震系统。

一旦车辆经过不平的路面，就可以通过车轮位移传感器，对车轮的位置进行探测，一旦发现车轮有位移，会将这些信息传送到车载控制系统中。

车载控制系统经过计算后，会将车轮的位移信息进行反馈，通过对电磁液压杆发送信号，使其对车轮进行抑制，让车辆经过不平路面后，车轮可以自动恢复到平稳的状态。

同时还可以让车辆的车身不发生位移，保持稳定的状态，从而抑制振动。

可以说这也就是汽车的防抖系统，当汽车经过斑马线这样的不平路面时，就会减小汽车经过的颠簸，同时还可以减少汽车制动过程中产生的侧翻现象。

从而使司机的驾驶过程更加的平稳，同时对车辆的底盘等部件的损坏也有所减小，所以这种悬架不仅可以保护汽车，同时还可以保护驾驶员。

并且这种悬架不仅能够抑制振动，还可以提高车辆的稳定性，但是这种悬架同样也有一定的缺陷，不仅价格昂贵，而且耐久度不够。

钕磁铁悬架的原理。

因此有一位汽修店的老板，通过利用钕磁铁来搭建车辆的悬架系统，一方面可以大大的降低成本，另一方面又可以起到比较好的抗震减震效果。

但是我们都知道，磁铁之间是会进行吸引或者排斥的，那么针对这一点就可以将4个钕磁铁极性一样的放在一起，另外4个极性也是一样的放在一起，并且两两之间的极性也是相反的。

这样会使磁铁之间产生排斥的力量，从而使车辆保持在稳定的行驶状态。

这样通过磁铁之间的力量，就可以保持汽车车轮和车身之间保持在平稳的状态，从而抑制振动，但是这样有个弊端，就是磁场太强，在路上行驶的时候，很容易将磁铁吸引住，从而影响汽车的行驶，同时也会影响车辆周围的人和物。

因此这样的设计的稳定性还有待提高，但是磁铁悬挂虽然在技术上还有待提高，但是从原理上来说，还是比较先进的，并且在节省成本的同时，还减少了车辆的使用重量，因此在未来它还是会继续的完善和发展。

而且它的原理也是类似于电磁悬挂系统的，只不过它是通过悬架上的气囊，利用悬架下的磁铁产生的磁场之间相互吸引和排斥的力量，从而使车身能够保持平稳，从而实现悬架的作用。

当然现在汽车悬架的研发还在不断的改进中，并且可能在未来会加入更为先进的技术，在未来，可能会有更多的悬架类型出现，我们也可以拭目以待。

结语

在未来悬架系统的发展中，我们也可能会结合更多的新技术，如人工智能、传感器等，从而将悬架系统应用的更加智能化，让它能够根据路况等情况进行自我调节，从而将汽车的行车舒适性和安全性进一步的提高。

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