霍爾傳感器

霍爾傳感器的寫法

霍爾傳感器介紹

霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面?；魻栃茄芯堪雽w材料性能的基本方

霍爾傳感器法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數?；魻柶骷且环N采用半導體材料制成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢VH。在磁場力作用下，在金屬或通電半導體中將產生霍耳效應，其輸出電壓與磁場強度成正比?；诨舳幕舳鷤鞲衅鞒Ｓ糜跍y量磁場強度，其測量范圍從10Oe到幾千奧斯特。盡管人們早在1879年就知道了霍耳效應，但直到20世紀60年代末期，隨著固態電子技術的發展，霍耳效應才開始被人們所應用。

分類

霍爾傳感器是根據霍爾效應原理而制成的電流和電壓傳感器。根據對霍爾電勢處理的方式不同，霍爾傳感器又可分為以下兩類：

類是直接將霍爾電勢做適當放大處理以后提供給檢測儀器或控制設備，就是所謂的直接檢測式霍爾電流傳感器。這種傳感器耐壓等級高，成本低，性能穩定，但精度受溫度變化影響大，動態響應特性很不理想。我公司采用電路補償，圓滿解決以上問題。

第二類是磁場平衡式霍爾傳感器，它采用了單或雙霍爾元件，并工作在零磁通狀態，且有以下特點：①測量范圍寬，可測量各種電流，如直流、交流、脈沖電流等。②電氣隔離性能好。③測量精度高，線性度好。④抗外界電磁和溫度等因素的干擾能力強。⑤電流上升率大，響應速度快。⑥過載能力強。⑦體積小，重量輕，安裝簡單、方便。目前的產品中以磁場平衡式霍爾傳感器為主。

種類

按構造分：

無鐵心型

鐵心型

測試用探針霍爾集成電路

按出線端子分：

三端子組件

四端子組件

五端子組件

原理

霍爾傳感器用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻杺鞲衅饕曰魻栃獮槠涔ぷ骰A，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I生產、交通運輸和日常生活中有著非常廣泛的應用。

一、霍爾效應霍爾元件霍爾傳感器：

（一）霍爾效應：

如〔圖1〕所示，在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關系為。圖中d為薄片的厚度，k稱為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關。上述效應稱為霍爾效應，它是德國物理學家霍爾于1879年研究載流導體在磁場中受力的性質時發現的。

（二）霍爾元件：

根據霍爾效應，人們用半導體材料制成霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

（三）霍爾傳感器：

由于霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器?；魻杺鞲衅饕卜Q為霍爾集成電路，其外形較小，如〔圖2〕所示，是其中一種型號的外形圖。

二、霍爾傳感器的分類：

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。

（一）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

（二）開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。

三、霍爾傳感器的特性：

（一）線性型霍爾傳感器的特性：

輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如〔圖3〕所示，在B1～B2的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態。

（二）開關型霍爾傳感器的特性：

如〔圖4〕所示，其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。

當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變為高電平。Bop與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。

另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如〔圖5〕所示。當磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消后，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。

四、霍爾傳感器的應用

按被檢測對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電學量來進行檢測和控制。

（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如：

1．電流傳感器：由于通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。

霍爾電流傳感器工作原理如〔圖6〕所示，標準圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。

2．位移測量：如〔圖7〕所示，兩塊磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移距離大小成正比。如果把拉力、壓力等參數變成位移距離，便可測出拉力及壓力的大小，如〔圖8〕所示，是按這一原理制成的力矩傳感器。

（二）開關型霍爾傳感器主要用于測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。

1．測轉速或轉數：如〔圖9〕所示，，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。

2．各種實用電路：開關型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價格便宜，因此獲得極為廣泛的應用。下面列舉兩個實用電路加以說明：

電路1防盜報警器，如〔圖10〕所示，將小磁鐵固定在門的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處于關閉狀態時，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平，當門被非法撬開時，霍爾傳感器輸出端3為高電平，非門輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發出報警聲音。

電路2公共汽車門狀態顯示器：使用霍爾傳感器，只要再配置一塊小磁鐵就很容易做成車門是否關好的指示器，例如公共汽車的三個門必須關閉，司機才可開車。電路如〔圖11〕所示，三片開關型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個門框上，在車門適當位置各固定一塊磁鋼，當車門開著時，磁鋼遠離霍爾開關，輸出端為高電平。若三個門中有一個未關好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關好，若三個門都關好，則或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關好，司機可放心開車。

用途

霍爾傳感器有下列三種用法：

(A)事先使一定電流流過霍爾傳感器，用以檢出磁場或變換成磁場的其它物理量的方法。

(B)利用組件的電流、磁場及作為其變量的該兩種量的乘法作用的方法。

(C)利用非相反性(即在一定磁場中，使與輸入端子通以電流時所得的輸出同方向的電流流過輸出端子時，在輸入端子會產生與最初的電壓反方向的霍爾電壓的現象)的方法。

在這些具體例中，有不少在組件的靈敏度及溫度特性上，霍爾傳感器形成1匝(Turn)的線圈有妨礙而難以符合實用。但利用霍爾探針測定磁場因屬于比較簡便的用法，已經定型，另外例如無電刷馬達(霍爾馬達)開關等也逐漸進入實用的階段，磁頭的制造也有人嘗試過。

接線方法

圖1系表示3到5端子的霍爾傳感器的使用方法，在三端子霍爾傳感器之輸出可以產生輸入端子電壓之大致一半與輸出信號電壓之和的電壓，而在四端子及五端子霍爾傳感器中，在原理上雖然可以免除輸入端子電壓的影響，但實際上即使在無磁場時，也有起因于組件形狀之不平衡等因素之不平衡電壓存在。

供電及驅動方式

定電壓驅動

定電流驅動