霍爾傳感器的原理及應用

　　霍爾效應的原理

　　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(shí)發(fā)現的。后來(lái)發(fā)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(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃茄芯堪雽w材料性能的基本方法。通過(guò)霍爾效應實(shí)驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類(lèi)型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。流體中的霍爾效應是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎。由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于：　Rh為霍爾常數，它與半導體材質(zhì)有關(guān);IC為霍爾元件的偏置電流;B為磁場(chǎng)強度;d為半導體材料的厚度。對于一個(gè)給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測的磁場(chǎng)強度B。

　　一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構成外回路，就會(huì )產(chǎn)生霍爾電流。一般地說(shuō)，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出;若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導磁系數的坡莫合金;這類(lèi)傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。近年來(lái)，由于半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，出現了各種類(lèi)型的新型集成霍爾元件。這類(lèi)元件可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是線(xiàn)性元件，另一類(lèi)是開(kāi)關(guān)類(lèi)元件。線(xiàn)性霍爾元件的原理:

　　UGN350lT是一種目前較常用的三端型線(xiàn)性霍爾元件。它由穩壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺高斯計。其使用十分簡(jiǎn)單，先使B=0，記下表的示值VOH，再將探頭端面貼在被測對象上，記下新的示值VOH1。ΔVOH=VOH1-VOH，如果ΔVOH>0，說(shuō)明探頭端面測得的是N極;反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V/T，由此即可測出相應的被測磁感應強度B。如果采用數字電壓表(DVM)，可得圖1所示的線(xiàn)性高斯計。運放采用高精度運放CA3130。該電路的具體調零方式為：開(kāi)啟電源后，令B=0，調節W1使DVM的示值為零，然后用一塊標準的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上，調節W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計檢測時(shí)示值如果為-200mV，則探頭端面檢測的是S極，磁場(chǎng)強度為0.02T。本高斯計也可用來(lái)測量交變的磁場(chǎng)，不過(guò)DVM應改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地擴展普通數字萬(wàn)用表的功能。

     用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當有電流流過(guò)導線(xiàn)時(shí)，就會(huì )在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其大小正比于流過(guò)導線(xiàn)電流的安匝數;這個(gè)磁場(chǎng)作用于霍爾元件，感應出相應的霍爾電勢，其靈敏度為7V/T，經(jīng)過(guò)運放μA741調零，線(xiàn)性放大后送入DVM，組成數字式鉗形電流表。該表的調試也十分簡(jiǎn)單：導線(xiàn)中的電流為零時(shí)，調節W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流，調W3使DVM讀數為5V;反向輸入-50A電流，數字表示值為-5V。反復調節W1、W2、W3，讀數即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實(shí)驗，其靈敏度不小于0.1V/A，同樣，本電流表也可用于交流電流的測量，將DVM換成交流電壓表即可，十分方便。