原創(chuàng)|一文讀懂霍爾傳感器干貨 霍爾傳感器工作原理、特性、分類(lèi)及應(yīng)用分析(必須收藏)
霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車(chē)業(yè)、電腦、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域。未來(lái)幾年，隨著越來(lái)越多的汽車(chē)電子和工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國(guó)，霍爾傳感器在中國(guó)市場(chǎng)的年銷(xiāo)售額將保持20%到30%的高速增長(zhǎng)。
與此同時(shí)，霍爾傳感器的相關(guān)技術(shù)仍在不斷完善中，可編程霍爾傳感器、智能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場(chǎng)前景。
什么是霍爾效應(yīng)？
霍爾效應(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(lái)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?gòu)?qiáng)得多，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱(chēng)為霍爾電勢(shì)差?；魻栃?yīng)應(yīng)使用左手定則判斷。
在式(1)中：若保持控制電流Ic不變，在一定條件下，可通過(guò)測(cè)量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系，根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件即霍爾元件。
霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是：固體材料中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場(chǎng)斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。
正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過(guò)程的不僅有帶負(fù)電的電子，還有帶正電的空穴。
什么是霍爾傳感器？
霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。
通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。
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，如下圖所示：
霍爾傳感器其中某型
霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)及用途
許多人都知道，轎車(chē)的自動(dòng)化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車(chē)上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)。
采用功率霍爾開(kāi)關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。霍爾器件通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車(chē)各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。
例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換;可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。
目前的霍爾器件都可承受一定的振動(dòng)，可在零下40℃到零上150℃范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，完全能夠適應(yīng)汽車(chē)的惡劣工作環(huán)境。
霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無(wú)法與其比擬的，它一般只適用于測(cè)量50Hz正弦波
原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，隔離電壓可達(dá)9600Vrms;
精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測(cè)量;霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)μm級(jí))。
寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時(shí)間可小于1μs;但是，電壓傳感器帶寬較窄，一般在15kHz以?xún)?nèi)，6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時(shí)間約500uS，帶寬約700Hz。
測(cè)量范圍廣泛：電流測(cè)量可達(dá)50KA，電壓測(cè)量可達(dá)6400V。
結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHZ)，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。
上圖即是一種典型的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)定位應(yīng)用---一個(gè)輪上的兩個(gè)磁鐵經(jīng)過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器。圖示中的輪子，帶有兩個(gè)等距的磁鐵，傳感器上的電壓在一個(gè)周期內(nèi)將兩次達(dá)到峰值。
通常被用于計(jì)量車(chē)輪和軸的速度，例如在內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火定時(shí)(正時(shí))或轉(zhuǎn)速表上。其在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的使用，用來(lái)檢測(cè)永磁鐵的位置。
霍爾傳感器廣泛應(yīng)用在變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、通信電源、電焊機(jī)、電力機(jī)車(chē)、變電站、數(shù)控機(jī)床、電解電鍍、微機(jī)監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)等需要隔離檢測(cè)電流的設(shè)施中以及新興的太陽(yáng)能、風(fēng)能和地鐵軌道信號(hào)、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。
霍爾傳感器的主要特性參數(shù)
前面介紹過(guò)了霍爾傳感器是一種根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的磁場(chǎng)傳感器，它的主要特性參數(shù)有以下幾類(lèi)。
(1)輸入電阻R
霍爾傳感器元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱(chēng)為輸入電阻。它的數(shù)值從幾歐到兒百歐，視不同型號(hào)的元件而定。
溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流變大，最終引起霍爾傳感器電勢(shì)變化。為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。
(2)輸出電阻R
兩個(gè)霍爾傳感器電勢(shì)輸出端之間的電阻稱(chēng)為輸出電阻，它的數(shù)位與輸入電阻同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變順改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻易與之匹配，可以使由溫度引起的程水電勢(shì)的漂移減至最小。
(3)最大激勵(lì)電流I---霍爾傳感器參數(shù)
由于霍爾傳感器電勢(shì)隨激勵(lì)電流的增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流1M但激勵(lì)電流增大，程爾元件的功耗增大，元件的溫皮升高，從而引起霍爾傳感器屯勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的幾件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至幾百毫安。
(4)靈敏度K
靈敏度KH=EH/IB，它的數(shù)值約為10MV(MA.T)左右。
(5)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM---霍爾傳感器參數(shù)
磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)BM時(shí)，霍爾傳感器電勢(shì)的非線性誤差將明顯增大，特斯撿(T)成幾千高斯(Gs)(1Gs=104T)。
(6)個(gè)等位電勢(shì)
在額定激勵(lì)電流F，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)它是由于4個(gè)屯極的幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)引起的誤差。
(7)霍爾傳感器屯勢(shì)溫度系數(shù)
6M的數(shù)值一般為零點(diǎn)刀霍爾傳感器輸出端之間的開(kāi)路電壓稱(chēng)為不等位電勢(shì)，使用時(shí)多采用電橋法來(lái)補(bǔ)償不等位電勢(shì)引起日在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化1攝氏度時(shí)，霍爾傳感器電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)弱為霍爾傳感器電勢(shì)溫度系數(shù)，它與霍爾傳感器元件的材料有關(guān)。
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。
1)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。
2)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。
按被檢測(cè)的對(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)出受檢測(cè)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)。
霍爾傳感器在各大領(lǐng)域的應(yīng)用
按被檢測(cè)的對(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)出受檢測(cè)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)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量。
例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、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。
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。其優(yōu)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，特別適合于大電流傳感。
霍爾電流傳感器工作原理如圖所示：
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(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，電壓大小與位移距離大小成正比。
如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移距離，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，如下圖所示，是按這一原理制成的力矩傳感器。
（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、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。
1.測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)：
如下圖所示：
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，工作可靠，價(jià)格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。
下面列舉一個(gè)實(shí)例說(shuō)明：
汽車(chē)車(chē)門(mén)狀態(tài)顯示：
現(xiàn)在汽車(chē)一般都有該功能了。這里使用了霍爾傳感器，只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車(chē)門(mén)是否關(guān)好的指示器，配置電路示意如下：
三片開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車(chē)的四個(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)，輸出端為高電平。若四個(gè)門(mén)中有一個(gè)未關(guān)好，則或非門(mén)輸出為低電平，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)輸出為高電平，綠燈亮，表示車(chē)門(mén)關(guān)好，司機(jī)可放心開(kāi)車(chē)。
霍爾傳感器展望
霍爾傳感器在中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)率為兩位數(shù)，在我們的日常生活中，霍爾傳感器被廣泛應(yīng)用。例如，在翻蓋或是滑蓋的手機(jī)中，用來(lái)檢測(cè)手機(jī)蓋翻開(kāi)或是滑動(dòng)的器件就是霍爾傳感器;再如，在電腦鍵盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動(dòng)的滾動(dòng)鍵就是由霍爾傳感器組成的;還有，在汽車(chē)變速箱、電動(dòng)門(mén)窗等需要電機(jī)的部件中也有霍爾傳感器應(yīng)用。我們?cè)诿刻斓纳钪卸荚谂c霍爾傳感器打交道。
霍爾傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域不同，因此各個(gè)市場(chǎng)對(duì)它的要求也不盡相同。手機(jī)市場(chǎng)對(duì)霍爾傳感器的主要要求包括尺寸、功耗和可調(diào)節(jié)的閾值。在工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用方面，霍爾傳感器首先要滿(mǎn)足工業(yè)或汽車(chē)認(rèn)證對(duì)器件的要求，例如安全性、穩(wěn)定性和溫度范圍要達(dá)到相應(yīng)的級(jí)別。
隨著這些終端應(yīng)用產(chǎn)品的不斷發(fā)展，霍爾傳感器也呈現(xiàn)微型化、高集成化、高靈敏度、耐溫性發(fā)展。
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