霍爾傳感器原理

霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應為其工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業生產、交通運輸和日常生活中有着非常廣泛的應用。

一、霍爾效應霍爾元件 霍爾傳感器

(一)霍爾效應

如圖1所示，在半導體薄片兩端通以控制電流I，並在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直於電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓，

其中d 為薄片的`厚度，k稱為霍爾係數，它的大小與薄片的材料有關。

上述效應稱為霍爾效應，它是德國物理學家霍爾於1879年研究載流導體在磁場中受力的性質時發現的。

(二)霍爾元件

根據霍爾效應，人們用半導體材料製成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

(三)霍爾傳感器

由於霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、温度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。

霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，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)開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。

　　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度呈線性關係，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁感應強度範圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此範圍時則呈現飽和狀態。

(二)開關型霍爾傳感器的特性

如圖4所示，其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。

當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變為高電平。Bop與BRP之間的滯後使開關動作更為可靠。

另外還有一種“鎖鍵型”(或稱“鎖存型”)開關型霍爾傳感器，其特性如圖5所示。

當磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消後，其輸出狀態保持不變(即鎖存狀態)，必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。

　　四、霍爾傳感器的應用

按被檢測對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，這個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、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電學量來進行檢測和控制。

(一)線性型霍爾傳感器主要用於一些物理量的測量。例如：

1.電流傳感器

由於通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計製成霍爾電流傳感器。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合於大電流傳感。

霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，標準圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。

2.位移測量

如圖7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置於中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。

如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖8所示，是按這一原理製成的力傳感器。

(二)開關型霍爾傳感器主要用於測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。

1.測轉速或轉數

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，圓盤旋轉一週，霍爾傳感器就輸出一個脈衝，從而可測出轉數(計數器)，若接入頻率計，便可測出轉速。