霍尔效应传感器

在结束关于磁学的讨论之前，我们不能不提到磁传感器，尤其是非常常用的霍尔效应传感器。

霍尔效应传感器是一种磁传感器，可用于检测由永磁体或电磁体产生的磁场的强度和方向，其输出与检测到的磁场强度成正比。

磁传感器将磁性或磁性编码的信息转换为电信号，供电子电路处理，在传感器和换能器教程中，我们讨论了感应式接近传感器和LDVT以及螺线管和继电器输出执行器。

磁传感器是固态器件，正变得越来越流行，因为它们可以用于许多不同类型的应用，如感测位置、速度或方向运动。

它们也是电子设计师的热门选择，因为它们具有非接触式无磨损操作、低维护、坚固的设计，并且作为密封的霍尔效应器件，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汽车系统中的位置、距离和速度感测。例如，用于火花塞点火角度的曲轴角度位置、用于安全气囊控制的汽车座椅和安全带位置或用于防抱死制动系统（ABS）的车轮速度检测。

磁传感器设计用于响应各种不同应用中的广泛正负磁场，其中一种输出信号是周围磁场密度函数的磁传感器称为霍尔效应传感器。

霍尔效应传感器是由外部磁场激活的器件。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，传感器会检测到它并生成称为霍尔电压VH的输出电压。考虑下图。

霍尔效应传感器原理

霍尔效应传感器原理

霍尔效应传感器基本上由一块薄矩形p型半导体材料（如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs））组成，通过自身传递连续电流。

当器件放置在磁场中时，磁通线对半导体材料施加力，使电荷载流子（电子和空穴）偏转到半导体板的两侧。电荷载流子的这种运动是它们通过半导体材料时经历的磁力的结果。

当这些电子和空穴横向移动时，由于这些电荷载流子的积累，半导体材料的两侧之间会产生电位差。然后，电子通过半导体材料的运动受到垂直于它的外部磁场的影响，这种效应在扁平矩形材料中更为显著。

通过使用磁场产生可测量电压的效应称为霍尔效应，以埃德温·霍尔的名字命名，他在19世纪70年代发现了这一效应，其基本物理原理是洛伦兹力。为了在器件上产生电位差，磁通线必须垂直于（90°）电流流动，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强度的信息。例如，南极会导致器件产生电压输出，而北极则没有影响。通常，霍尔效应传感器和开关在没有磁场存在时设计为“关闭”（开路状态）。它们只有在受到足够强度和极性的磁场时才会“打开”（闭路状态）。

霍尔效应磁传感器

基本霍尔元件的输出电压称为霍尔电压（VH），与通过半导体材料的磁场强度成正比（输出∝ H）。

即使受到强磁场作用，该输出电压也可能非常小，只有几微伏，因此大多数市售霍尔效应器件都内置了直流放大器、逻辑开关电路和电压调节器，以提高传感器的灵敏度、滞后和输出电压。

这也使得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

霍尔效应传感器具有线性或数字输出。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。该输出霍尔电压给出为：

霍尔效应电压

其中：

VH是霍尔电压，单位为伏特

RH是霍尔效应系数

I是通过传感器的电流，单位为安培

t是传感器的厚度，单位为毫米

B是磁通密度，单位为特斯拉

霍尔效应线性电压

线性或模拟传感器提供连续电压输出，随着强磁场的增加而增加，随着弱磁场的增加而减少。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，直到受到电源限制而开始饱和。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连接到运算放大器的施密特触发器，内置滞后。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，器件的输出会迅速从“关闭”状态切换到“打开”状态，没有任何类型的接触反弹。

这种内置滞后消除了传感器进出磁场时输出信号的任何振荡。然后，数字输出传感器只有两种状态，“打开”和“关闭”。

有两种基本类型的数字霍尔效应传感器：双极型和单极型。双极传感器需要正磁场（南极）来操作它们，需要负磁场（北极）来释放它们，而单极传感器只需要单个磁南极来操作和释放它们，因为它们进出磁场。

大多数霍尔效应器件不能直接切换大电负载，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，输出端添加了一个开集电极（电流吸收）NPN晶体管。

该晶体管在其饱和区工作，作为NPN吸收开关，当施加的磁通密度高于“打开”预设点时，将输出端子短路到地。

输出开关晶体管可以是开射极晶体管、开集电极晶体管配置或两者都提供推挽输出类型配置，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，可以通过连接到移动轴或设备的单个永磁体来操作该设备。有许多不同类型的磁体运动，例如“正面”、“侧面”、“推拉”或“推推”等感测运动。

无论使用哪种类型的配置，为了确保最大灵敏度，磁通线必须始终垂直于器件的感测区域，并且必须具有正确的极性。

此外，为了确保线性，需要高场强磁体，以在所需运动中产生大的场强变化。有几种可能的路径用于检测磁场，以下是使用单个磁体的两种更常见的感测配置：正面检测和侧面检测。

正面检测

正面霍尔效应感测

顾名思义，“正面检测”要求磁场垂直于霍尔效应感测器件，并且为了检测，它直接朝向传感器的活动面接近。一种“正面”方法。

这种正面方法生成输出信号VH，在线性器件中，该信号表示磁场强度，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，因此越强，输出电压越大，反之亦然。

线性器件还可以区分正负磁场。可以设置非线性器件在远离磁体的预设气隙距离处触发输出“打开”，以指示位置检测。

侧面检测

侧面霍尔效应感测

第二种感测配置是“侧面检测”。这需要将磁体横向移动穿过霍尔效应元件的表面。

侧面或滑动检测可用于检测磁场的存在，因为它以固定的气隙距离穿过霍尔元件的表面，例如，计数旋转磁体或电机的旋转速度。

根据磁场通过传感器的零场中心线时的位置，可以生成表示正负输出的线性输出电压。这允许方向运动检测，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。它们可以代替光学和光传感器，在环境条件包括水、振动、污垢或油的情况下使用，例如在汽车应用中。霍尔效应器件也可用于电流感测。

我们从之前的教程中知道，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，可以从生成的磁场中测量从几毫安到数千安培的电流，而无需大型或昂贵的变压器和线圈。

除了检测磁体和磁场的存在或不存在外，霍尔效应传感器还可以通过将小型永磁“偏置”磁体放置在器件的活动区域后面来检测铁磁材料（如铁和钢）。传感器现在位于永久和静态磁场中，任何通过引入铁磁材料对该磁场的改变或干扰都将被检测到，灵敏度可低至mV/G。

根据器件类型（无论是数字还是线性），有许多不同的方法将霍尔效应传感器连接到电气和电子电路。一个非常简单且易于构建的示例是使用发光二极管，如下所示。

位置检测器

霍尔效应位置指示器

当没有磁场存在时（0高斯），该正面位置检测器将“关闭”。当永磁体的南极（正高斯）垂直朝向霍尔效应传感器的活动区域移动时，器件“打开”并点亮LED。一旦“打开”，霍尔效应传感器保持“打开”。

要关闭器件并因此关闭LED，必须将磁场减少到低于单极传感器的释放点，或暴露于双极传感器的磁北极（负高斯）。如果需要霍尔效应传感器的输出来切换更大的电流负载，可以用更大的功率晶体管替换LED。