霍尔效应传感器原理运算应用及检测器

我们不能在没有提到磁传感器的情况下结束关于磁性的讨论，尤其是非常常用的霍尔效应传感器。

磁传感器转磁或磁将信息编码成电信号以供电子电路处理，在传感器和传感器教程中，我们研究了电感式接近传感器和LDVT以及电磁阀和继电器输出执行器。

磁传感器是固态设备，正变得越来越流行，因为它们可用于许多不同类型的应用，例如感应位置，速度或定向运动。它们也是电子设计师的一种流行的传感器选择，因为它们具有非接触式无磨损操作，低维护，坚固的设计以及密封的霍尔效应设备，不受振动，灰尘和水的影响。

磁传感器的主要用途之一是用于感测位置，距离和速度的汽车系统。例如，曲柄轴的角度位置用于火花塞的点火角度，汽车座椅和用于安全气囊控制的座椅安全带的位置或用于防抱死制动系统的车轮速度检测（ABS）。 

磁传感器设计用于响应各种不同应用中的各种正负磁场，一种类型的磁传感器，其输出信号是其周围磁场密度的函数，称为霍尔效果传感器。

霍尔效应传感器是由外部磁场激活的设备。我们知道磁场有两个重要特性：磁通密度（ B ）和极性（北极和南极）。霍尔效应传感器的输出信号是器件周围磁场密度的函数。当传感器周围的磁通密度超过某个预设阈值时，传感器检测到它并产生一个输出电压，称为霍尔电压，V H。请考虑下图。

霍尔效应传感器原理

霍尔效应传感器基本上由一块薄的矩形p型半导体材料组成，例如砷化镓（GaAs），锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs），它们通过自身连续的电流。当器件放置在磁场中时，磁通线在半导体材料上施加力，该力使电荷载流子，电子和空穴偏转到半导体板的任一侧。电荷载流子的这种运动是它们经过半导体材料所经受的磁力的结果。

当这些电子和空穴移动到侧面时，半导体材料的两侧之间产生电位差。这些电荷载体的堆积。然后，电子通过半导体材料的运动受到与其成直角的外部磁场的影响，并且这种效果在扁平矩形材料中更大。

产生通过使用磁场测量的电压被称为霍尔效应之后，埃德温霍尔在1870年发现了它，霍尔效应的基本物理原理是洛伦兹力。为了在器件上产生电位差，磁通线必须与电流垂直（90 o ）并且具有正确的极性，通常是南极。

霍尔效应提供有关磁极类型和磁场大小的信息。例如，南极会导致器件产生电压输出，而北极则无效。通常，霍尔效应传感器和开关设计为在没有磁场存在时处于“关闭”状态（开路状态）。当受到足够强度和极性的磁场时，它们只能“接通”，（闭路状态）。

霍尔效应磁传感器

输出电压，称为霍尔电压，（ V H ）基本霍尔元件与通过半导体材料的磁场强度成正比（输出α H ）。这个输出电压可以非常小，即使受到强磁场也只有几微伏，因此大多数商用霍尔效应器件都是通过内置直流放大器，逻辑开关电路和稳压器制造的，以提高传感器的灵敏度，滞后和输出电压。这也使霍尔效应传感器能够在更广泛的电源和磁场条件下工作。

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器可用线性或数字输出。线性（模拟）传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出，输出电压与通过霍尔传感器的磁场成正比。此输出霍尔电压如下：

线性或模拟传感器提供连续的电压输出，该输出随着强磁场而增加，并且随着弱磁场而减小。在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，放大器的输出信号也会增加，直到它开始饱和电源对其施加的限制。磁场的任何额外增加都不会对输出产生影响，但会使其更加饱和。

另一方面，数字输出传感器具有施密特触发器，内置迟滞连接到运算放大器。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，器件的输出在其“关闭”状态之间快速切换到“接通”状态，而没有任何类型的接触反弹。当传感器移入和移出磁场时，这种内置滞后消除了输出信号的任何振荡。然后数字输出传感器只有两种状态，“ON”和“OFF”。

有两种基本类型的数字霍尔效应传感器，双极和单极

b>。双极传感器需要一个正磁场（南极）来操作它们，一个负磁场（北极）释放它们，而单极传感器只需要一个磁性南极来操作和释放它们进出磁场大多数霍尔效应器件不能直接切换大型电气负载，因为它们的输出驱动能力非常小，大约为10到20mA。对于大电流负载，开路集电极（电流吸收）NPN晶体管添加到输出端。

该晶体管在其饱和区域工作，作为NPN吸收开关，无论何时施加的通量，输出端子都会短接到地。密度高于“ON”预设点。

输出开关晶体管可以是开放式发射极晶体管，开路集电极晶体管配置，也可以是两者都提供推挽输出型配置，可以吸收足够的电流直接驱动许多负载，包括继电器，电机，LED和灯。

霍尔效应应用

霍尔效应传感器由磁场激活，在许多应用中设备可以通过连接到移动轴或设备的单个永磁体操作。有许多不同类型的磁铁运动，例如“正面”，“侧面”，“推拉”或“推 - 推”等感应运动。使用哪种类型的配置，为了确保最大的灵敏度，磁通线必须始终垂直于器件的感应区域，并且必须具有正确的极性。

同时确保线性，高场需要强度磁铁，以便为所需的运动产生大的场强变化。有几种可能的运动路径用于检测磁场，下面是使用单个磁体的两种更常见的传感配置：正面检测和侧向检测。

正面检测

顾名思义，“正面检测”要求磁场是垂直于霍尔效应传感装置和用于检测的装置，它直接朝向活动面接近传感器。一种“正面”方法。

这种正面方法产生一个输出信号， V H ，它在线性设备中代表磁场强度，磁通密度，作为远离霍尔效应传感器的距离的函数。磁场越近，因此磁场越强，输出电压越大，反之亦然。

线性器件还可以区分正磁场和负磁场。可以使非线性装置在远离磁铁的预设气隙距离处触发输出“ON”以指示位置检测。

侧向检测

第二种传感配置是“侧向检测”。这需要以横向运动的方式将磁铁移过霍尔效应元件的表面。

侧向或滑动式检测有助于检测磁场在霍尔面上移动时的存在固定气隙距离内的元件，例如，计算旋转磁铁或电机的旋转速度。

根据磁场经过传感器零场中心线的位置，可以产生表示正输出和负输出的线性输出电压。这允许方向移动检测，可以是垂直的也可以是水平的。

霍尔效应传感器有许多不同的应用，特别是作为接近传感器。它们可用于代替光学和光学传感器，其环境条件包括水，振动，污垢或油，例如汽车应用。霍尔效应器件也可用于电流检测。

我们从之前的教程中了解到，当电流通过导体时，会在其周围产生圆形电磁场。通过将霍尔传感器放置在导体旁边，可以从产生的磁场测量几毫安到几千安培的电流，而无需大型或昂贵的变压器和线圈。

以及检测霍尔效应传感器是否存在磁铁和磁场，还可以通过在设备的有效区域后面放置一个小的永久“偏置”磁铁来检测铁磁材料，如铁和钢。传感器现在处于永久和静态磁场中，通过引入含铁材料对该磁场的任何变化或干扰都将被检测到，其灵敏度可能低至mV / G..

霍尔效应传感器与电气和电子电路接口的许多不同方式取决于设备的类型，无论是数字还是线性。一个非常简单且易于构造的示例是使用如下所示的发光二极管。

位置检测器

当没有磁场存在时（0高斯），这个正面位置检测器将“关闭”。当永磁体南极（正高斯）垂直向霍尔效应传感器的有效区域移动时，器件变为“ON”并点亮LED。一旦切换为“ON”，霍尔效应传感器将保持“ON”状态。

要关闭设备并因此将LED“关闭”，必须将磁场降低到单极传感器的释放点以下或暴露于用于双极传感器的磁北极（负高斯）。如果需要输出霍尔效应传感器来切换较大的电流负载，则LED可以用更大的功率晶体管代替。