霍爾效應傳感器

在結束關(guān)于磁學(xué)的討論之前，我們不能不提到磁傳感器，尤其是非常常用的霍爾效應傳感器。

霍爾效應傳感器是一種磁傳感器，可用于檢測由永磁體或電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強度和方向，其輸出與檢測到的磁場(chǎng)強度成正比。

磁傳感器將磁性或磁性編碼的信息轉換為電信號，供電子電路處理，在傳感器和換能器教程中，我們討論了感應式接近傳感器和LDVT以及螺線(xiàn)管和繼電器輸出執行器。

磁傳感器是固態(tài)器件，正變得越來(lái)越流行，因為它們可以用于許多不同類(lèi)型的應用，如感測位置、速度或方向運動(dòng)。

它們也是電子設計師的熱門(mén)選擇，因為它們具有非接觸式無(wú)磨損操作、低維護、堅固的設計，并且作為密封的霍爾效應器件，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汽車(chē)系統中的位置、距離和速度感測。例如，用于火花塞點(diǎn)火角度的曲軸角度位置、用于安全氣囊控制的汽車(chē)座椅和安全帶位置或用于防抱死制動(dòng)系統（ABS）的車(chē)輪速度檢測。

磁傳感器設計用于響應各種不同應用中的廣泛正負磁場(chǎng)，其中一種輸出信號是周?chē)艌?chǎng)密度函數的磁傳感器稱(chēng)為霍爾效應傳感器。

霍爾效應傳感器是由外部磁場(chǎng)激活的器件。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）。

霍爾效應傳感器的輸出信號是器件周?chē)艌?chǎng)密度的函數。當傳感器周?chē)拇磐芏瘸^(guò)某個(gè)預設閾值時(shí)，傳感器會(huì )檢測到它并生成稱(chēng)為霍爾電壓VH的輸出電壓?？紤]下圖。

霍爾效應傳感器原理

霍爾效應傳感器原理

霍爾效應傳感器基本上由一塊薄矩形p型半導體材料（如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs））組成，通過(guò)自身傳遞連續電流。

當器件放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通線(xiàn)對半導體材料施加力，使電荷載流子（電子和空穴）偏轉到半導體板的兩側。電荷載流子的這種運動(dòng)是它們通過(guò)半導體材料時(shí)經(jīng)歷的磁力的結果。

當這些電子和空穴橫向移動(dòng)時(shí)，由于這些電荷載流子的積累，半導體材料的兩側之間會(huì )產(chǎn)生電位差。然后，電子通過(guò)半導體材料的運動(dòng)受到垂直于它的外部磁場(chǎng)的影響，這種效應在扁平矩形材料中更為顯著(zhù)。

通過(guò)使用磁場(chǎng)產(chǎn)生可測量電壓的效應稱(chēng)為霍爾效應，以埃德溫·霍爾的名字命名，他在19世紀70年代發(fā)現了這一效應，其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(xiàn)必須垂直于（90°）電流流動(dòng)，并且具有正確的極性，通常是南極。

霍爾效應提供有關(guān)磁極類(lèi)型和磁場(chǎng)強度的信息。例如，南極會(huì )導致器件產(chǎn)生電壓輸出，而北極則沒(méi)有影響。通常，霍爾效應傳感器和開(kāi)關(guān)在沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)設計為“關(guān)閉”（開(kāi)路狀態(tài)）。它們只有在受到足夠強度和極性的磁場(chǎng)時(shí)才會(huì )“打開(kāi)”（閉路狀態(tài)）。

霍爾效應磁傳感器

基本霍爾元件的輸出電壓稱(chēng)為霍爾電壓（VH），與通過(guò)半導體材料的磁場(chǎng)強度成正比（輸出∝ H）。

即使受到強磁場(chǎng)作用，該輸出電壓也可能非常小，只有幾微伏，因此大多數市售霍爾效應器件都內置了直流放大器、邏輯開(kāi)關(guān)電路和電壓調節器，以提高傳感器的靈敏度、滯后和輸出電壓。

這也使得霍爾效應傳感器能夠在更廣泛的電源和磁場(chǎng)條件下工作。

霍爾效應傳感器

霍爾效應傳感器

霍爾效應傳感器具有線(xiàn)性或數字輸出。線(xiàn)性（模擬）傳感器的輸出信號直接取自運算放大器的輸出，輸出電壓與通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)成正比。該輸出霍爾電壓給出為：

霍爾效應電壓

其中：

VH是霍爾電壓，單位為伏特

RH是霍爾效應系數

I是通過(guò)傳感器的電流，單位為安培

t是傳感器的厚度，單位為毫米

B是磁通密度，單位為特斯拉

霍爾效應線(xiàn)性電壓

線(xiàn)性或模擬傳感器提供連續電壓輸出，隨著(zhù)強磁場(chǎng)的增加而增加，隨著(zhù)弱磁場(chǎng)的增加而減少。在線(xiàn)性輸出霍爾效應傳感器中，隨著(zhù)磁場(chǎng)強度的增加，放大器的輸出信號也會(huì )增加，直到受到電源限制而開(kāi)始飽和。磁場(chǎng)的任何額外增加都不會(huì )對輸出產(chǎn)生影響，但會(huì )使其更加飽和。

另一方面，數字輸出傳感器具有連接到運算放大器的施密特觸發(fā)器，內置滯后。當通過(guò)霍爾傳感器的磁通量超過(guò)預設值時(shí)，器件的輸出會(huì )迅速從“關(guān)閉”狀態(tài)切換到“打開(kāi)”狀態(tài)，沒(méi)有任何類(lèi)型的接觸反彈。

這種內置滯后消除了傳感器進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)輸出信號的任何振蕩。然后，數字輸出傳感器只有兩種狀態(tài)，“打開(kāi)”和“關(guān)閉”。

有兩種基本類(lèi)型的數字霍爾效應傳感器：雙極型和單極型。雙極傳感器需要正磁場(chǎng)（南極）來(lái)操作它們，需要負磁場(chǎng)（北極）來(lái)釋放它們，而單極傳感器只需要單個(gè)磁南極來(lái)操作和釋放它們，因為它們進(jìn)出磁場(chǎng)。

大多數霍爾效應器件不能直接切換大電負載，因為它們的輸出驅動(dòng)能力非常小，大約為10到20mA。對于大電流負載，輸出端添加了一個(gè)開(kāi)集電極（電流吸收）NPN晶體管。

該晶體管在其飽和區工作，作為NPN吸收開(kāi)關(guān)，當施加的磁通密度高于“打開(kāi)”預設點(diǎn)時(shí)，將輸出端子短路到地。

輸出開(kāi)關(guān)晶體管可以是開(kāi)射極晶體管、開(kāi)集電極晶體管配置或兩者都提供推挽輸出類(lèi)型配置，可以吸收足夠的電流直接驅動(dòng)許多負載，包括繼電器、電機、LED和燈。

霍爾效應應用

霍爾效應傳感器由磁場(chǎng)激活，在許多應用中，可以通過(guò)連接到移動(dòng)軸或設備的單個(gè)永磁體來(lái)操作該設備。有許多不同類(lèi)型的磁體運動(dòng)，例如“正面”、“側面”、“推拉”或“推推”等感測運動(dòng)。

無(wú)論使用哪種類(lèi)型的配置，為了確保最大靈敏度，磁通線(xiàn)必須始終垂直于器件的感測區域，并且必須具有正確的極性。

此外，為了確保線(xiàn)性，需要高場(chǎng)強磁體，以在所需運動(dòng)中產(chǎn)生大的場(chǎng)強變化。有幾種可能的路徑用于檢測磁場(chǎng)，以下是使用單個(gè)磁體的兩種更常見(jiàn)的感測配置：正面檢測和側面檢測。

正面檢測

正面霍爾效應感測

顧名思義，“正面檢測”要求磁場(chǎng)垂直于霍爾效應感測器件，并且為了檢測，它直接朝向傳感器的活動(dòng)面接近。一種“正面”方法。

這種正面方法生成輸出信號VH，在線(xiàn)性器件中，該信號表示磁場(chǎng)強度，磁通密度，作為遠離霍爾效應傳感器的距離的函數。磁場(chǎng)越近，因此越強，輸出電壓越大，反之亦然。

線(xiàn)性器件還可以區分正負磁場(chǎng)?？梢栽O置非線(xiàn)性器件在遠離磁體的預設氣隙距離處觸發(fā)輸出“打開(kāi)”，以指示位置檢測。

側面檢測

側面霍爾效應感測

第二種感測配置是“側面檢測”。這需要將磁體橫向移動(dòng)穿過(guò)霍爾效應元件的表面。

側面或滑動(dòng)檢測可用于檢測磁場(chǎng)的存在，因為它以固定的氣隙距離穿過(guò)霍爾元件的表面，例如，計數旋轉磁體或電機的旋轉速度。

根據磁場(chǎng)通過(guò)傳感器的零場(chǎng)中心線(xiàn)時(shí)的位置，可以生成表示正負輸出的線(xiàn)性輸出電壓。這允許方向運動(dòng)檢測，可以是垂直的也可以是水平的。

霍爾效應傳感器有許多不同的應用，特別是作為接近傳感器。它們可以代替光學(xué)和光傳感器，在環(huán)境條件包括水、振動(dòng)、污垢或油的情況下使用，例如在汽車(chē)應用中?；魻栃骷部捎糜陔娏鞲袦y。

我們從之前的教程中知道，當電流通過(guò)導體時(shí)，會(huì )在其周?chē)a(chǎn)生圓形電磁場(chǎng)。通過(guò)將霍爾傳感器放置在導體旁邊，可以從生成的磁場(chǎng)中測量從幾毫安到數千安培的電流，而無(wú)需大型或昂貴的變壓器和線(xiàn)圈。

除了檢測磁體和磁場(chǎng)的存在或不存在外，霍爾效應傳感器還可以通過(guò)將小型永磁“偏置”磁體放置在器件的活動(dòng)區域后面來(lái)檢測鐵磁材料（如鐵和鋼）。傳感器現在位于永久和靜態(tài)磁場(chǎng)中，任何通過(guò)引入鐵磁材料對該磁場(chǎng)的改變或干擾都將被檢測到，靈敏度可低至mV/G。

根據器件類(lèi)型（無(wú)論是數字還是線(xiàn)性），有許多不同的方法將霍爾效應傳感器連接到電氣和電子電路。一個(gè)非常簡(jiǎn)單且易于構建的示例是使用發(fā)光二極管，如下所示。

位置檢測器

霍爾效應位置指示器

當沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)（0高斯），該正面位置檢測器將“關(guān)閉”。當永磁體的南極（正高斯）垂直朝向霍爾效應傳感器的活動(dòng)區域移動(dòng)時(shí)，器件“打開(kāi)”并點(diǎn)亮LED。一旦“打開(kāi)”，霍爾效應傳感器保持“打開(kāi)”。

要關(guān)閉器件并因此關(guān)閉LED，必須將磁場(chǎng)減少到低于單極傳感器的釋放點(diǎn)，或暴露于雙極傳感器的磁北極（負高斯）。如果需要霍爾效應傳感器的輸出來(lái)切換更大的電流負載，可以用更大的功率晶體管替換LED。