霍爾感測器的工作原理、分類及應用

十日十乞001發表於2017-05-24

轉自：http://www.sensor.com.cn/zt5/case-1503.html


霍爾感測器是一種磁感測器。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。霍爾感測器以霍爾效應為其工作基

霍爾感測器是一種磁感測器。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。霍爾感測器以霍爾效應為其工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的整合感測器。霍爾感測器在工業生產、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 霍爾感測器 

霍爾效應 

如圖1所示，在半導體薄片兩端通以控制電流I，並在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直於電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓， 
它們之間的關係為。




 式中d 為薄片的厚度，k稱為霍爾係數，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於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，人們用半導體材料製成的元件叫霍爾元件。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、計算機和資訊科技等領域得到廣泛的應用。 

（三）霍爾感測器 

由於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整合在一個晶片上，稱之為霍爾感測器。 


 霍爾感測器也稱為霍爾積體電路，其外形較小，如圖2所示，是其中一種型號的外形圖。

二、霍爾感測器的分類 

霍爾感測器分為線性型霍爾感測器和開關型霍爾感測器兩種。 

（一）線性型霍爾感測器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 
（二）開關型霍爾感測器由穩壓器、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、霍爾感測器的特性 

（一）線性型霍爾感測器的特性


 輸出電壓與外加磁場強度呈線性關係，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁感應強度範圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此範圍時則呈現飽和狀態。 

（二）開關型霍爾感測器的特性 

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，感測器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，感測器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，感測器才由低電平躍變為高電平。Bop與BRP之間的滯後使開關動作更為可靠。 

另外還有一種鎖鍵型（或稱鎖存型）開關型霍爾感測器，其特性如圖5所示。


 當磁感應強度超過動作點Bop時，感測器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消後，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、霍爾感測器的應用 

按被檢測物件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物件本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢物件上人為設定的磁場，這個磁場是被檢測的資訊的載體，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）線性型霍爾感測器主要用於一些物理量的測量。例如： 

1．電流感測器 

由於通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾感測器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計製成霍爾電流感測器。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，特別適合於大電流感測。


 霍爾電流感測器工作原理如圖6所示，標準圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾感測器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾感測器有訊號輸出。 

2．位移測量 

如圖7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾感測器置於中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾感測器在Z軸上作△Z位移時，感測器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。


 如果把拉力、壓力等引數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖8所示，是按這一原理製成的力感測器。


 二）開關型霍爾感測器主要用於測轉數、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，霍爾感測器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一週，霍爾感測器就輸出一個脈衝，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。


 如果把開關型霍爾感測器按預定位置有規律地佈置在軌道上，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衝訊號。根據脈衝訊號的分佈可以測出車輛的運動速度。 

2．各種實用電路 

開關型霍爾感測器尺寸小、工作電壓範圍寬，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，將霍爾感測器固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處於關閉狀態時，磁鐵靠近霍爾感測器，輸出端3為低電平，當門被非法撬開時，霍爾感測器輸出端3為高電平，非門輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電後發出報警聲音。 

電路2 公共汽車門狀態顯示器


 使用霍爾感測器，只要再配置一塊小永久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，三片開關型霍爾感測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。

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