霍爾傳感器的分類、霍爾效應(yīng)與霍爾傳感器的應(yīng)用

　　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(guān)的場合中使用?；魻?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/傳感器">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。霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?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。

　　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。

　　式中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。

　　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。

　　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(hào)的外形圖。

　　霍爾傳感器的分類

　　霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

　?。ㄒ唬╅_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。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。

　?。ǘ┚€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。

　　線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。。

　　開關(guān)型

　　如圖4所示，其中Bnp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)Bnp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)Bnp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?。Bnp與BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。

　　鎖鍵型

　　如圖5所示，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bnp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。

　　線性型

　　輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖3所示，可見，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)。

　　開環(huán)式電流傳感器

　　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(hào)輸出。

　　閉環(huán)式電流傳感器

　　磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器，也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個(gè)次級(jí)線圈，電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。

　　磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場 ，該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場， 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時(shí)可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。

　　霍爾傳感器的應(yīng)用

　　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(hào)輸出。

　　2．位移測量

　　如圖7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對(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(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)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，只要再配置一塊小永久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。

　　霍爾傳感器技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)

　　霍爾傳感器技術(shù)在汽車工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，包括動(dòng)力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。為了滿足不同系統(tǒng)的需要，霍爾傳感器有開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。

　　霍爾傳感器可以采用金屬和半導(dǎo)體等制成，效應(yīng)質(zhì)量的改變?nèi)Q于導(dǎo)體的材料，材料會(huì)直接影響流過傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時(shí)，汽車工業(yè)通常使用三種半導(dǎo)體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導(dǎo)體材料當(dāng)屬砷化銦。

　　霍爾傳感器的形式?jīng)Q定了放大電路的不同，其輸出要適應(yīng)所控制的裝置。這個(gè)輸出可能是模擬式，如加速位置傳感器或節(jié)氣門位置傳感器，也可能是數(shù)字式。如曲軸或凸輪軸位置傳感器。

　　當(dāng)霍爾元件用于模擬式傳感器時(shí)，這個(gè)傳感器可以用于空調(diào)系統(tǒng)中的溫度表或動(dòng)力控制系統(tǒng)中的節(jié)氣門位置傳感器?；魻栐c微分放大器連接，放大器與NPN晶體管連接。磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸上，軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件上的磁場加強(qiáng)。其產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場強(qiáng)度成比例。

　　當(dāng)霍爾元件用于數(shù)字信號(hào)時(shí)，例如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器或車速傳感器，必須首先改變電路?；魻栐c微分放大器連接，微分放大器與施密特觸發(fā)器連接。在這種配置中。傳感器輸出一個(gè)開或關(guān)的信號(hào)。在多數(shù)汽車電路中，霍爾傳感器是電流吸收器或者使信號(hào)電路接地。要完成這項(xiàng)工作，需要一個(gè)NPN晶體管與施密特觸發(fā)器的輸出連接。磁場穿過霍爾元件，一個(gè)觸發(fā)器輪上的葉片在磁場和霍爾元件之間通過。

　　霍爾傳感器應(yīng)用于出租車計(jì)價(jià)器

　　霍爾傳感器在出租車計(jì)價(jià)器上的應(yīng)用：通過安裝在車輪上的霍爾傳感器A44E檢測到的信號(hào)，送到單片機(jī)，經(jīng)處理計(jì)算，送給顯示單元，這樣便完成了里程計(jì)算。檢測原理，P3.2口作為信號(hào)的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷0，車輪每轉(zhuǎn)一圈（設(shè)車輪的周長是1 m），霍爾開關(guān)就檢測并輸出信號(hào)，引起單片機(jī)的中斷，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到1 000次時(shí)，也就是1 km，單片機(jī)就控制將金額自動(dòng)增加。

　　每當(dāng)霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平信號(hào)就使單片機(jī)中斷一次，當(dāng)里程計(jì)數(shù)器對(duì)里程脈沖計(jì)滿1 000次時(shí)，就有程序?qū)?dāng)前總額累加，使微機(jī)進(jìn)入里程計(jì)數(shù)中斷服務(wù)程序中。在該程序中，需要完成當(dāng)前行駛里程數(shù)和總額的累加操作，并將結(jié)果存入里程和總額寄存器中。

　　霍爾電流傳感器在變頻器中的應(yīng)用

　　在有電流流過的導(dǎo)線周圍會(huì)感生出磁場，再用霍爾器件檢測由電流感生的磁場，即可測出產(chǎn)生這個(gè)磁場的電流的量值。由此就可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。因?yàn)榛魻柶骷妮敵鲭妷号c加在它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個(gè)具有乘法器功能的器件，并且可與各種邏輯電路直接接口，還可以直接驅(qū)動(dòng)各種性質(zhì)的負(fù)載。因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)用原理簡單，信號(hào)處理方便，器件本身又具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以在變頻器中也發(fā)揮了非常重要的作用。

　　在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1μs，因此，出現(xiàn)過載短路時(shí)，在晶體管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)。

　　霍爾電流傳感器按其工作模式可分為直接測量式和零磁通式，在變頻器中由于需要精準(zhǔn)的控制及計(jì)算，因此選用了零磁通方式。將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，若滿足條件IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0，這時(shí)下式成立：

　　Io=Is（N2/N1）

　　式中，Io為被測電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1為初級(jí)繞組的匝數(shù)，Is為補(bǔ)償繞組中的電流，N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)。由上式可知，達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由Is及匝數(shù)比N2/N1得到Io。

　　霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電流的“無電位”檢測。即測量電路不必接入被測電路即可實(shí)現(xiàn)電流檢測，它們靠磁場進(jìn)行耦合。因此，檢測電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測過程中，檢測電路與被檢電路互不影響。