Question

霍尔传感器原理

Answer 1

霍尔传感器原理

　　霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

　　 一、霍尔效应霍尔元件 霍尔传感器

　　(一)霍尔效应

　　如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，

它们之间的关系为 。

　　其中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

　　上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

　　(二)霍尔元件

　　根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

　　(三)霍尔传感器

　　由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

　　霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。

　　二、霍尔传感器的分类

　　霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

　　(一)线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

　　(二)开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

　　三、霍尔传感器的特性

　　(一)线性型霍尔传感器的特性

　　输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

　　(二)开关型霍尔传感器的特性

　　如图4所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

　　当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

　　另外还有一种“锁键型”(或称“锁存型”)开关型霍尔传感器，其特性如图5所示。

　　当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变(即锁存状态)，必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

　　四、霍尔传感器的应用

　　按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的'信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。

　　(一)线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：

　　1.电流传感器

　　由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

　　霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

　　2.位移测量

　　如图7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

　　如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。

　　(二)开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

　　1.测转速或转数

　　如图9所示，，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数(计数器)，若接入频率计，便可测出转速。

Answer 2

霍尔式传感器，利用半导体材料的霍尔效应进行刻星的一种磁敏式传感器。它可以直接测随磁场和做位移量，应用于电池测量、压力、加速度、振动等方面的测量领域。目前霍尔传感器已从分立元件发展到集成电路的阶段，正越来越受人们的重视，应用日益广泛。

一、电流与电压

电荷可以激发电场，并对置于电场中的其他电荷产生电场力的作用，类似于地球周围的重力场可以对人产生重力作用。电荷量越大，电场越强，相同距离间的电场力作用就越明显，这个作用就是电压。

也就是说，电压越大，表明电场越强，对电荷的作用力就越大。又因为，导体中存在大量自由电子(负电荷)，所以，若给导体施加电压，就相当于在导体内部施加了个强电场，在这个强电场的作用力下，导体内部的自由电子因受到力的作用发生定向移动，这就是电流。且电压越大，电场越强，受到电场力发生移动的电荷(自由电子)就越多，电流就越大。换言之，电流一方面表明了电荷的定向移动，一方面又表示了移动的电荷量(单位时间通过导体截面的电荷量)。

另外，电场方向为电压正极指向电压负极，或者说，电场方向为正电荷指向负电荷。由于电荷之间同性相斥，异性相吸，若正电荷处于电场中，就会受到电场力从电压正极跑向负极，这个跑向就是电流正方向，所以把电流从电压正极流向负极的这种方向关系称为关联参考方向。

二、洛伦兹力

洛伦兹力属于电磁力的一种。电磁力包括宏观上的安培力以及微观上的洛伦兹力。所谓电磁力，是指通电导体或运动电荷处于磁场中时，会受到磁场的作用力。因为通电导体本质是其内部电荷的定向移动，大量运动电荷，每个运动电荷都受到洛伦兹力的作用，在宏观上就表现为导体所受到的安培力(各个洛伦兹力的合力)。

洛伦兹力的方向判断用左手定则，磁力线从掌心穿过，四指指向正电荷的运动方向(即电流正方向)，拇指指向即为洛伦兹力方向，在这个力的作用下，正电荷的运动将发生偏转。

若运动电荷带负电，四指指向将相反(因为负电荷的运动方向与电流正方向相反)，根据左手定则，可以发现，同一磁场中，正、负电荷所受到的洛伦兹力方向相反。毫无疑问，磁场越强，运动电荷所受到的洛伦兹力就越大。

三、霍尔效应

霍尔效应由物理学家霍尔发现，简单来说就是给半导体通电并将其置于磁场中，该半导体将会产生另一个电压。给一半导体通电，将有电流流过，电流由自由电子定向移动形成。

将磁体靠近通电的半导体，此时半导体处于磁场中。显然，半导体中定向移动的自由电子就会受到洛伦兹力的作用发生偏转。根据左手定则，磁力线从上往下穿过半导体，电子运动方向为四指反方向，则拇指为电子偏转方向。

另外，在半导体中，电荷除了自由电子外，还有失去电子的空穴(或者说离子，带正电)，带有等量异性电荷，分别处于半导体两侧。由于异性电荷分别聚集在半导体两侧，这就会在半导体内部形成内电场，即正负电荷之间的空间存在电场。

电场的建立，相当于有了电压的存在，此时用电压表测半导体两侧，必然会有具体电压值，这个电压被称为霍尔电压或霍尔电势差。

结合上文所言的洛伦兹力，磁场越强，所能束缚的运动电荷就越多，那么半导体两侧聚集的异性电荷就越多，所建立的内电场就越强，即两侧的电压越大。