 | 霍爾傳感器的工作原理、分類(lèi)及其簡(jiǎn)單應(yīng)用。
霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)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。霍爾傳感器在工業(yè)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常的應(yīng)用。
一、霍爾效應(yīng)霍爾元件 霍爾傳感器
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(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓，
它們之間的關(guān)系為 。
式中 為薄片的厚度，k稱(chēng)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(chēng)為霍爾效應(yīng)，它是德國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)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)體材料制成的元件叫霍爾元件。它有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
（三）霍爾傳感器
由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)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(chēng)之為霍爾傳感器。
霍爾傳感器也稱(chēng)為霍爾集成電路，其外形較小，如圖2所示，是其中一種型號(hào)的外形圖。
二、霍爾傳感器的分類(lèi)
霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開(kāi)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(kāi)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(jí)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(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖3所示，可見(jiàn)，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(kāi)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(kāi)"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(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出電平，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)，傳感器才由電平躍變?yōu)殡娖健op與BRP之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為。
另外還有一種“鎖鍵型"（或稱(chēng)“鎖存型"）開(kāi)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(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出由電平躍變?yōu)殡娖剑谕獯艌?chǎng)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(cè)對(duì)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(cè)受檢對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)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(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。
（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。例如：
1．電流傳感器
由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，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(cè)量出磁場(chǎng)，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。其點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別于大電流傳感。 
霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，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(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。
2．位移測(cè)量
如圖7所示，兩塊*磁鐵同極性相對(duì)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，電壓大小與位移大小成正比。 
如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，如圖8所示，是按這一原理制成的力傳感器。 
二）開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開(kāi)關(guān)、關(guān)門(mén)告知器、器、自動(dòng)控制電路等。
1．測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)
如圖9所示，，在非磁性材料的圓盤(pán)邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤(pán)邊緣處，圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。 
如果把開(kāi)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(chē)輛上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)速度。
2．各種實(shí)用電路
開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作，便宜，因此獲得極的應(yīng)用。下面列舉兩個(gè)實(shí)用電路加以說(shuō)明：
電路1 防盜器 
如圖10所示，將小磁鐵固定在門(mén)的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門(mén)框的邊緣上，讓兩者靠近，即門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為電平，當(dāng)門(mén)被非法撬開(kāi)時(shí)，霍爾傳感器輸出端3為電平，非門(mén)輸出端Y為電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發(fā)出聲音。
電路2 公共汽車(chē)門(mén)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(chē)門(mén)是否關(guān)好的指示器，例如公共汽車(chē)的三個(gè)門(mén)必須關(guān)閉，司機(jī)才可開(kāi)車(chē)。電路如圖11所示，三片開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車(chē)的三個(gè)門(mén)框上，在車(chē)門(mén)適當(dāng)位置各固定一塊磁鋼，當(dāng)車(chē)門(mén)開(kāi)著時(shí)，磁鋼遠(yuǎn)離霍爾開(kāi)關(guān)，輸出端為電平。若三個(gè)門(mén)中有一個(gè)未關(guān)好，則或非門(mén)輸出為電平，紅燈亮，表示還有門(mén)未關(guān)好，若三個(gè)門(mén)都關(guān)好，則或非門(mén)輸出為電平，綠燈亮，表示車(chē)門(mén)關(guān)好，司機(jī)可放心開(kāi)車(chē)。(en) |
