hall传感器原理 霍尔传感器的分类及工作原理

霍尔传感器的分类及工作原理

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，利用这现象制成的各种霍尔器件，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。

霍尔器件分为: 霍尔元件（Hall element）和霍尔集成电路(Hall IC)两大类，前者是一 个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。霍尔集成电路是随着半导体集成电路工业的发展近20年才出现的产品，但因它体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰 尘、油污污染，成本低等优点，使其得到了极其广泛的应用。霍尔集成电路有很多其他称呼，如：霍尔效应集成电路(Hall Effect IC)，霍尔效应传感集成电路(Hall Effect Sensor IC)，霍尔传感器(Hall Sensor)，霍尔电路，霍尔IC。Hall有时也被翻译成霍耳，所以也可称霍耳集 成电路等。以下简称霍尔IC。

霍尔IC通常按输出信号类型分为数字霍尔IC和线性霍尔IC。数字霍尔IC通过外部磁场的强弱控制输出导通或关断，类似开关的作用，因此常称为开关型霍尔IC。线性霍尔IC输出为模拟信号，输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。

开关型霍尔IC常又分为单极型霍尔IC（Unipolar）、锁存型霍尔IC（Latch）、双极型霍尔IC（Bipolar）、全极型霍尔IC（Omnipolar）四类。为便于说明，按通常约定，当外加磁场的南极(S极)接近霍尔IC打有标志的一面时，作用到霍尔IC上的磁场方向为正，当北极 (N极)接近标志面时，磁场为负。

单极型霍尔IC：经常被称为开关霍尔IC、霍尔开关（Hall Switch）、霍尔效应开关（Hall Effect Switch）。只对单个磁极（常为S极）有响应。如图1，大多数单极霍尔IC，当S极面向标记面，且施加的磁感应强度B超过工作点（BOP）时（即B>BOP>0），输出导通, 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点(BRP)（即0<B<BRP）或撤除（B=0）时，输出 关断, 输出由低变高。单极型霍尔IC在上电过程中如果外部磁场大于BOP，输出初始状态将 为导通。相反，如上电过程中外部磁场小于BOP，输出初始状态将为关断。上电状态可确定是单极型霍尔IC的一个重要特性。

图 1 单极型霍尔IC 输出特性图

锁存型霍尔IC：必须S极和N极交替作用于霍尔IC。如图2，大多数锁存型霍尔IC，当S极面向标记面，且施加的磁感应强度超过工作点（BOP）（即B>BOP>0）时，输出导通，输出由高变低。当磁感应强度减弱直至撤除（B=0），输出保持导通。当N极面向标记面，且施加的磁感应强度超过释放点（BRP）（即B<BRP<0）时，输出关断, 输出由低变高。锁存型霍尔IC上电过程中，如果外部磁场处于BOP和BRP之间，输出初始状态将不确定。

图 2 锁存型霍尔IC输出特性图

全极霍尔IC：是较新出现的类型，将S极和N极等同对待。一般情况下，如图3，任何一个磁极面向标记面，且施加的磁感应强度B超过工作点（BOP）(即|B|>BOP), 输出导通, 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点(BRP)（即|B|<BRP）或撤除（B=0）时，输出关断，输出由低变高。也有部分与以上输出状态相反的全极霍尔IC。全极霍尔IC这一类似干簧管的特性，在许多用于替换干簧管以提高可靠性。

图 3 全极型霍尔IC 输出特性图

双极型霍尔IC：是比较早期的一种类型，最初因半导体工艺限制，生产出较的霍尔IC灵敏度分布范围很大，一致性差。同一型号霍尔，如图4，部分是锁存型的(中间曲线)，部分是单极型的（右边曲线），部分是N极单极型的（右边曲线），是三种的混合体。往往指标只给出最大BOP(>0)和最小BRP(<0)，任何一颗双极型霍尔IC,不能确定是单极型霍尔IC、锁存型霍尔IC或负单极霍尔IC。目前，新型号中很少再有双极型霍尔IC。注意，很多用户会把双极型霍尔IC误认为（或称为）是锁存型霍尔IC，也有误认为（或称为）是全极型霍尔IC。

双极型霍尔IC输出特性图

线性霍尔 IC：输出为模拟信号，输出电平在一定的范围类与外加磁场成线性关系，称为线性磁场范围。外加磁场超出线性磁场范围，将不再成线性关系，直至输出饱和，有最低输出饱和电压和最高输出饱和电压。

图 5 线性霍尔IC 输出特性图

以上是简单常用的霍尔IC，除了这些，近几年还出现了一些集成度高、功能复杂的专用霍尔IC，如差分霍尔IC(双霍尔IC)，集成ADC、DAC 和信号处理电路的旋转位置传感器、三轴位置传感器，集成了电机控制和驱动电路的无刷电机驱动芯片。此外，利用霍尔原理设计的电流传感器IC也是霍尔IC的一大类别。

随着手机、笔记本电脑、DV等便携式设备的普及，对霍尔IC的功耗提出要求，由此产生了一类新的霍尔IC—微功耗霍尔IC。它是数字霍尔 IC 按功耗单独分出的一类，其内部 采用休眠机制降低功耗，平均功耗可以达到uA极。它也可按功能分为单极型霍尔IC、锁存型霍尔IC、和全极霍尔IC三类。这类一般用于电池长期供电的系统。霍尔器件分类总结如图6。

图 6 霍尔器件分类

AOVX资产监测设备中HALL闭环电压传感器介绍

随着资产监测设备的不断普及，越来越多的人从资产监测的解决方案中得到了发展。

笔者的团队一直在从事资产监测设备的开发，资产监测设备的主要功能是帮助用户监测交付运输或存储过程中的资产，包括了资产的实时位置、实时状态以及异常情况等。该设备被广泛应用于按揭车辆、货物运输等过程中。

例如使用资产监测设备在按揭车辆业务中，作为银行只需要将AOVX云息通信的车辆跟踪设备放置在按揭车辆中，银行即可登录云端后台查看车辆的实时位置。该设备能够待机工作7年，因此作为车辆监测方，银行无需担心电力不足造成监测过程中断。并且该设备还具有CATM1与NB-IOT，覆盖了大部分地区的网络，保障监测过程的完整性。

资产监测设备的功能实现离不开电压传感器，下面笔者着重介绍下HALL闭环电压传感器， 在电压检测应用中，霍尔电压传感器经常被提及，霍尔闭环电压传感器属于其中一种，其原理阐述如下: 假设被测电压为Vp，在其两端串联电阻R，随着R的阻值不一样，便可以形成非常小的原边电流Ip，Ip流经原边线圈产生了原边磁场Hp。由于输出电流Is也会在补偿线圈上产生磁场Hs，可以得出Hp和Hs大小相等，方向相反。HALL 感应器件，运放处理电路，补偿线圈三者结合，输出电流Is，该输出电流Is可精确反映被测电流Ip的大小和方向，进而精确反映被测电压Vp 的大小和方向。不同种类的电压传感器的原边电阻R，有的集成在传感器中，有的可能需要客户外接。霍尔闭环电压传感器原理图如下所示。

希望该内容能够帮助到感兴趣的用户。

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