霍爾效應(yīng)傳感器原理運(yùn)算應(yīng)用及檢測(cè)器

我們不能在沒(méi)有提到磁傳感器的情況下結(jié)束關(guān)于磁性的討論，尤其是非常常用的霍爾效應(yīng)傳感器。

磁傳感器轉(zhuǎn)磁或磁將信息編碼成電信號(hào)以供電子電路處理，在傳感器和傳感器教程中，我們研究了電感式接近傳感器和LDVT以及電磁閥和繼電器輸出執(zhí)行器。

磁傳感器是固態(tài)設(shè)備，正變得越來(lái)越流行，因?yàn)樗鼈兛捎糜谠S多不同類型的應(yīng)用，例如感應(yīng)位置，速度或定向運(yùn)動(dòng)。它們也是電子設(shè)計(jì)師的一種流行的傳感器選擇，因?yàn)樗鼈兙哂蟹墙佑|式無(wú)磨損操作，低維護(hù)，堅(jiān)固的設(shè)計(jì)以及密封的霍爾效應(yīng)設(shè)備，不受振動(dòng)，灰塵和水的影響。

磁傳感器的主要用途之一是用于感測(cè)位置，距離和速度的汽車系統(tǒng)。例如，曲柄軸的角度位置用于火花塞的點(diǎn)火角度，汽車座椅和用于安全氣囊控制的座椅安全帶的位置或用于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的車輪速度檢測(cè)（ABS）。

磁傳感器設(shè)計(jì)用于響應(yīng)各種不同應(yīng)用中的各種正負(fù)磁場(chǎng)，一種類型的磁傳感器，其輸出信號(hào)是其周圍磁場(chǎng)密度的函數(shù)，稱為霍爾效果傳感器。

霍爾效應(yīng)傳感器是由外部磁場(chǎng)激活的設(shè)備。我們知道磁場(chǎng)有兩個(gè)重要特性：磁通密度（ B ）和極性（北極和南極）?；魻栃?yīng)傳感器的輸出信號(hào)是器件周圍磁場(chǎng)密度的函數(shù)。當(dāng)傳感器周圍的磁通密度超過(guò)某個(gè)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器檢測(cè)到它并產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，稱為霍爾電壓，V H。請(qǐng)考慮下圖。

霍爾效應(yīng)傳感器原理

霍爾效應(yīng)傳感器基本上由一塊薄的矩形p型半導(dǎo)體材料組成，例如砷化鎵（GaAs），銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs），它們通過(guò)自身連續(xù)的電流。當(dāng)器件放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通線在半導(dǎo)體材料上施加力，該力使電荷載流子，電子和空穴偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體板的任一側(cè)。電荷載流子的這種運(yùn)動(dòng)是它們經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體材料所經(jīng)受的磁力的結(jié)果。

當(dāng)這些電子和空穴移動(dòng)到側(cè)面時(shí)，半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間產(chǎn)生電位差。這些電荷載體的堆積。然后，電子通過(guò)半導(dǎo)體材料的運(yùn)動(dòng)受到與其成直角的外部磁場(chǎng)的影響，并且這種效果在扁平矩形材料中更大。

產(chǎn)生通過(guò)使用磁場(chǎng)測(cè)量的電壓被稱為霍爾效應(yīng)之后，埃德溫霍爾在1870年發(fā)現(xiàn)了它，霍爾效應(yīng)的基本物理原理是洛倫茲力。為了在器件上產(chǎn)生電位差，磁通線必須與電流垂直（90 o ）并且具有正確的極性，通常是南極。

霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類型和磁場(chǎng)大小的信息。例如，南極會(huì)導(dǎo)致器件產(chǎn)生電壓輸出，而北極則無(wú)效。通常，霍爾效應(yīng)傳感器和開關(guān)設(shè)計(jì)為在沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開路狀態(tài)）。當(dāng)受到足夠強(qiáng)度和極性的磁場(chǎng)時(shí)，它們只能“接通”，（閉路狀態(tài)）。

霍爾效應(yīng)磁傳感器

輸出電壓，稱為霍爾電壓，（ V H ）基本霍爾元件與通過(guò)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比（輸出α H ）。這個(gè)輸出電壓可以非常小，即使受到強(qiáng)磁場(chǎng)也只有幾微伏，因此大多數(shù)商用霍爾效應(yīng)器件都是通過(guò)內(nèi)置直流放大器，邏輯開關(guān)電路和穩(wěn)壓器制造的，以提高傳感器的靈敏度，滯后和輸出電壓。這也使霍爾效應(yīng)傳感器能夠在更廣泛的電源和磁場(chǎng)條件下工作。

霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器可用線性或數(shù)字輸出。線性（模擬）傳感器的輸出信號(hào)直接取自運(yùn)算放大器的輸出，輸出電壓與通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)成正比。此輸出霍爾電壓如下：

線性或模擬傳感器提供連續(xù)的電壓輸出，該輸出隨著強(qiáng)磁場(chǎng)而增加，并且隨著弱磁場(chǎng)而減小。在線性輸出霍爾效應(yīng)傳感器中，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，放大器的輸出信號(hào)也會(huì)增加，直到它開始飽和電源對(duì)其施加的限制。磁場(chǎng)的任何額外增加都不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響，但會(huì)使其更加飽和。

另一方面，數(shù)字輸出傳感器具有施密特觸發(fā)器，內(nèi)置遲滯連接到運(yùn)算放大器。當(dāng)通過(guò)霍爾傳感器的磁通量超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，器件的輸出在其“關(guān)閉”狀態(tài)之間快速切換到“接通”狀態(tài)，而沒(méi)有任何類型的接觸反彈。當(dāng)傳感器移入和移出磁場(chǎng)時(shí)，這種內(nèi)置滯后消除了輸出信號(hào)的任何振蕩。然后數(shù)字輸出傳感器只有兩種狀態(tài)，“ON”和“OFF”。

有兩種基本類型的數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器，雙極和單極

b>。雙極傳感器需要一個(gè)正磁場(chǎng)（南極）來(lái)操作它們，一個(gè)負(fù)磁場(chǎng)（北極）釋放它們，而單極傳感器只需要一個(gè)磁性南極來(lái)操作和釋放它們進(jìn)出磁場(chǎng)大多數(shù)霍爾效應(yīng)器件不能直接切換大型電氣負(fù)載，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲵?qū)動(dòng)能力非常小，大約為10到20mA。對(duì)于大電流負(fù)載，開路集電極（電流吸收）NPN晶體管添加到輸出端。

該晶體管在其飽和區(qū)域工作，作為NPN吸收開關(guān)，無(wú)論何時(shí)施加的通量，輸出端子都會(huì)短接到地。密度高于“ON”預(yù)設(shè)點(diǎn)。

輸出開關(guān)晶體管可以是開放式發(fā)射極晶體管，開路集電極晶體管配置，也可以是兩者都提供推挽輸出型配置，可以吸收足夠的電流直接驅(qū)動(dòng)許多負(fù)載，包括繼電器，電機(jī)，LED和燈。

霍爾效應(yīng)應(yīng)用

霍爾效應(yīng)傳感器由磁場(chǎng)激活，在許多應(yīng)用中設(shè)備可以通過(guò)連接到移動(dòng)軸或設(shè)備的單個(gè)永磁體操作。有許多不同類型的磁鐵運(yùn)動(dòng)，例如“正面”，“側(cè)面”，“推拉”或“推 - 推”等感應(yīng)運(yùn)動(dòng)。使用哪種類型的配置，為了確保最大的靈敏度，磁通線必須始終垂直于器件的感應(yīng)區(qū)域，并且必須具有正確的極性。

同時(shí)確保線性，高場(chǎng)需要強(qiáng)度磁鐵，以便為所需的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大的場(chǎng)強(qiáng)變化。有幾種可能的運(yùn)動(dòng)路徑用于檢測(cè)磁場(chǎng)，下面是使用單個(gè)磁體的兩種更常見的傳感配置：正面檢測(cè)和側(cè)向檢測(cè)。

正面檢測(cè)

顧名思義，“正面檢測(cè)”要求磁場(chǎng)是垂直于霍爾效應(yīng)傳感裝置和用于檢測(cè)的裝置，它直接朝向活動(dòng)面接近傳感器。一種“正面”方法。

這種正面方法產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)， V H ，它在線性設(shè)備中代表磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁通密度，作為遠(yuǎn)離霍爾效應(yīng)傳感器的距離的函數(shù)。磁場(chǎng)越近，因此磁場(chǎng)越強(qiáng)，輸出電壓越大，反之亦然。

線性器件還可以區(qū)分正磁場(chǎng)和負(fù)磁場(chǎng)。可以使非線性裝置在遠(yuǎn)離磁鐵的預(yù)設(shè)氣隙距離處觸發(fā)輸出“ON”以指示位置檢測(cè)。

側(cè)向檢測(cè)

第二種傳感配置是“側(cè)向檢測(cè)”。這需要以橫向運(yùn)動(dòng)的方式將磁鐵移過(guò)霍爾效應(yīng)元件的表面。

側(cè)向或滑動(dòng)式檢測(cè)有助于檢測(cè)磁場(chǎng)在霍爾面上移動(dòng)時(shí)的存在固定氣隙距離內(nèi)的元件，例如，計(jì)算旋轉(zhuǎn)磁鐵或電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)傳感器零場(chǎng)中心線的位置，可以產(chǎn)生表示正輸出和負(fù)輸出的線性輸出電壓。這允許方向移動(dòng)檢測(cè)，可以是垂直的也可以是水平的。

霍爾效應(yīng)傳感器有許多不同的應(yīng)用，特別是作為接近傳感器。它們可用于代替光學(xué)和光學(xué)傳感器，其環(huán)境條件包括水，振動(dòng)，污垢或油，例如汽車應(yīng)用。霍爾效應(yīng)器件也可用于電流檢測(cè)。

我們從之前的教程中了解到，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生圓形電磁場(chǎng)。通過(guò)將霍爾傳感器放置在導(dǎo)體旁邊，可以從產(chǎn)生的磁場(chǎng)測(cè)量幾毫安到幾千安培的電流，而無(wú)需大型或昂貴的變壓器和線圈。

以及檢測(cè)霍爾效應(yīng)傳感器是否存在磁鐵和磁場(chǎng)，還可以通過(guò)在設(shè)備的有效區(qū)域后面放置一個(gè)小的永久“偏置”磁鐵來(lái)檢測(cè)鐵磁材料，如鐵和鋼。傳感器現(xiàn)在處于永久和靜態(tài)磁場(chǎng)中，通過(guò)引入含鐵材料對(duì)該磁場(chǎng)的任何變化或干擾都將被檢測(cè)到，其靈敏度可能低至mV / G..

霍爾效應(yīng)傳感器與電氣和電子電路接口的許多不同方式取決于設(shè)備的類型，無(wú)論是數(shù)字還是線性。一個(gè)非常簡(jiǎn)單且易于構(gòu)造的示例是使用如下所示的發(fā)光二極管。

位置檢測(cè)器

當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)（0高斯），這個(gè)正面位置檢測(cè)器將“關(guān)閉”。當(dāng)永磁體南極（正高斯）垂直向霍爾效應(yīng)傳感器的有效區(qū)域移動(dòng)時(shí)，器件變?yōu)椤癘N”并點(diǎn)亮LED。一旦切換為“ON”，霍爾效應(yīng)傳感器將保持“ON”狀態(tài)。

要關(guān)閉設(shè)備并因此將LED“關(guān)閉”，必須將磁場(chǎng)降低到單極傳感器的釋放點(diǎn)以下或暴露于用于雙極傳感器的磁北極（負(fù)高斯）。如果需要輸出霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)切換較大的電流負(fù)載，則LED可以用更大的功率晶體管代替。