霍爾傳感器

霍爾傳感器的寫法

霍爾傳感器介紹

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)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?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方

霍爾傳感器法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)?；魻柶骷且环N采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當(dāng)有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢VH。在磁場力作用下，在金屬或通電半導(dǎo)體中將產(chǎn)生霍耳效應(yīng)，其輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比?；诨舳?yīng)的霍耳傳感器常用于測量磁場強(qiáng)度，其測量范圍從10Oe到幾千奧斯特。盡管人們早在1879年就知道了霍耳效應(yīng)，但直到20世紀(jì)60年代末期，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍耳效應(yīng)才開始被人們所應(yīng)用。

分類

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理而制成的電流和電壓傳感器。根據(jù)對霍爾電勢處理的方式不同，霍爾傳感器又可分為以下兩類：

類是直接將霍爾電勢做適當(dāng)放大處理以后提供給檢測儀器或控制設(shè)備，就是所謂的直接檢測式霍爾電流傳感器。這種傳感器耐壓等級高，成本低，性能穩(wěn)定，但精度受溫度變化影響大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性很不理想。我公司采用電路補(bǔ)償，圓滿解決以上問題。

第二類是磁場平衡式霍爾傳感器，它采用了單或雙霍爾元件，并工作在零磁通狀態(tài)，且有以下特點(diǎn)：①測量范圍寬，可測量各種電流，如直流、交流、脈沖電流等。②電氣隔離性能好。③測量精度高，線性度好。④抗外界電磁和溫度等因素的干擾能力強(qiáng)。⑤電流上升率大，響應(yīng)速度快。⑥過載能力強(qiáng)。⑦體積小，重量輕，安裝簡單、方便。目前的產(chǎn)品中以磁場平衡式霍爾傳感器為主。

種類

按構(gòu)造分：

無鐵心型

鐵心型

測試用探針霍爾集成電路

按出線端子分：

三端子組件

四端子組件

五端子組件

原理

霍爾傳感器用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。

一、霍爾效應(yīng)霍爾元件霍爾傳感器：

（一）霍爾效應(yīng)：

如〔圖1〕所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為。圖中d為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

（二）霍爾元件：

根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

（三）霍爾傳感器：

由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱之為霍爾傳感器?；魻杺鞲衅饕卜Q為霍爾集成電路，其外形較小，如〔圖2〕所示，是其中一種型號的外形圖。

二、霍爾傳感器的分類：

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

（一）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

（二）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。

三、霍爾傳感器的特性：

（一）線性型霍爾傳感器的特性：

輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如〔圖3〕所示，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

（二）開關(guān)型霍爾傳感器的特性：

如〔圖4〕所示，其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健op與BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。

另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如〔圖5〕所示。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，而在外磁場撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。

四、霍爾傳感器的應(yīng)用

按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，這個(gè)磁場是被檢測的信息的載體，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(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進(jìn)行檢測和控制。

（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如：

1．電流傳感器：由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。

霍爾電流傳感器工作原理如〔圖6〕所示，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。

2．位移測量：如〔圖7〕所示，兩塊磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移距離大小成正比。如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移距離，便可測出拉力及壓力的大小，如〔圖8〕所示，是按這一原理制成的力矩傳感器。

（二）開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。

1．測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)：如〔圖9〕所示，，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測出轉(zhuǎn)速。如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。

2．各種實(shí)用電路：開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價(jià)格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。下面列舉兩個(gè)實(shí)用電路加以說明：

電路1防盜報(bào)警器，如〔圖10〕所示，將小磁鐵固定在門的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平，當(dāng)門被非法撬開時(shí)，霍爾傳感器輸出端3為高電平，非門輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發(fā)出報(bào)警聲音。

電路2公共汽車門狀態(tài)顯示器：使用霍爾傳感器，只要再配置一塊小磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器，例如公共汽車的三個(gè)門必須關(guān)閉，司機(jī)才可開車。電路如〔圖11〕所示，三片開關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個(gè)門框上，在車門適當(dāng)位置各固定一塊磁鋼，當(dāng)車門開著時(shí)，磁鋼遠(yuǎn)離霍爾開關(guān)，輸出端為高電平。若三個(gè)門中有一個(gè)未關(guān)好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關(guān)好，若三個(gè)門都關(guān)好，則或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關(guān)好，司機(jī)可放心開車。

用途

霍爾傳感器有下列三種用法：

(A)事先使一定電流流過霍爾傳感器，用以檢出磁場或變換成磁場的其它物理量的方法。

(B)利用組件的電流、磁場及作為其變量的該兩種量的乘法作用的方法。

(C)利用非相反性(即在一定磁場中，使與輸入端子通以電流時(shí)所得的輸出同方向的電流流過輸出端子時(shí)，在輸入端子會(huì)產(chǎn)生與最初的電壓反方向的霍爾電壓的現(xiàn)象)的方法。

在這些具體例中，有不少在組件的靈敏度及溫度特性上，霍爾傳感器形成1匝(Turn)的線圈有妨礙而難以符合實(shí)用。但利用霍爾探針測定磁場因?qū)儆诒容^簡便的用法，已經(jīng)定型，另外例如無電刷馬達(dá)(霍爾馬達(dá))開關(guān)等也逐漸進(jìn)入實(shí)用的階段，磁頭的制造也有人嘗試過。

接線方法

圖1系表示3到5端子的霍爾傳感器的使用方法，在三端子霍爾傳感器之輸出可以產(chǎn)生輸入端子電壓之大致一半與輸出信號電壓之和的電壓，而在四端子及五端子霍爾傳感器中，在原理上雖然可以免除輸入端子電壓的影響，但實(shí)際上即使在無磁場時(shí)，也有起因于組件形狀之不平衡等因素之不平衡電壓存在。

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