一文讀懂各類霍爾傳感器的原理及實(shí)際應(yīng)用
導(dǎo)讀：在電子時(shí)代，磁傳感器在電機(jī)、汽車工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)器人、樓宇辦公自動(dòng)化、家用電器等諸多方面都有著廣泛的應(yīng)用，如用于感測(cè)速度、運(yùn)動(dòng)和方向等。其中，霍爾效應(yīng)傳感器的歷史最為悠久，也是目前最受歡迎的磁傳感器之一。
在霍爾效應(yīng)中，垂直于電流流動(dòng)方向的磁通量會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電壓。
由于具備低成本、低功耗、占地面積小、距離感應(yīng)、可靠性高、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，霍爾傳感器被應(yīng)用于電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼計(jì)數(shù)、開關(guān)位置檢測(cè)、防篡改檢測(cè)等多功能性應(yīng)用中。
霍爾效應(yīng)和霍爾傳感器的原理
霍爾效應(yīng)原理是Edwin Hall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，還發(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，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等領(lǐng)域。
作為一種流行的磁傳感器技術(shù)，霍爾傳感器的原理是在向?qū)w施加垂直磁場(chǎng)時(shí)，在載流導(dǎo)體(通常稱為霍爾元件)中會(huì)產(chǎn)生差分電壓。電壓是由施加的磁場(chǎng)引起的洛倫茲力的結(jié)果，其導(dǎo)致電流電子集中在導(dǎo)體的一端，并在兩端之間產(chǎn)生電勢(shì)差。
具體來說，霍爾效應(yīng)傳感器由一塊薄的矩形p型半導(dǎo)體材料組成，例如砷化鎵，銻化銦或砷化銦，它們通過自身連續(xù)的電流。當(dāng)器件放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通線在半導(dǎo)體材料上施加力，該力使電荷載流子，電子和空穴偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體板的任一側(cè)。電荷載流子的這種運(yùn)動(dòng)是它們經(jīng)過半導(dǎo)體材料所經(jīng)受的磁力的結(jié)果。當(dāng)這些電子和空穴移動(dòng)側(cè)邊時(shí)，通過這些電荷載流子的積累在半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間產(chǎn)生差分電壓即電位差。
霍爾效應(yīng)示意圖
上圖顯示了霍爾效應(yīng)原理以及電流、電壓和磁場(chǎng)之間的關(guān)系。產(chǎn)生的電壓通常稱為霍爾電壓(VH)。當(dāng)不存在磁場(chǎng)時(shí)，電流電子的分布是均勻的，這時(shí)VH是零。當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，電流電子的分布受到干擾，并將導(dǎo)致與電流和施加的磁場(chǎng)的交叉積成比例的非零VH。電流通常是固定的，導(dǎo)致VH與施加的磁場(chǎng)之間的直接關(guān)系。
霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低?；魻栯妷褐岛苄。ǔＶ挥袔讉€(gè)毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號(hào)。
霍爾傳感器的分類及應(yīng)用
按閾值和線性分類，霍爾傳感器可分為霍爾開關(guān)和線性霍爾傳感器兩類。
霍爾傳感器可用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、監(jiān)測(cè)電池供電的門鈴，以及煙霧探測(cè)器等應(yīng)用中
01.霍爾開關(guān)
霍爾開關(guān)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，輸出數(shù)字信號(hào)。它是一種基于閾值的霍爾效應(yīng)傳感器，可作為一個(gè)開關(guān)，通過單個(gè)輸出(全極)，兩個(gè)輸出(雙極單極)，鎖存輸出(雙極)或一個(gè)極(單極)響應(yīng)任一磁極。通常，如果場(chǎng)來自南極，則輸出電壓為正。如果場(chǎng)源是北極，則輸出電壓為負(fù)。
霍爾開關(guān)經(jīng)過一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，則完成了一次開關(guān)動(dòng)作，輸出數(shù)字信號(hào)，因此可用于計(jì)算汽車或機(jī)器轉(zhuǎn)速、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機(jī)車的自動(dòng)門開關(guān)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、門禁和防盜報(bào)警器、自動(dòng)販賣機(jī)、打印機(jī)等。
在電動(dòng)車窗系統(tǒng)中，霍爾傳感器的計(jì)數(shù)功能，對(duì)車窗開關(guān)到位情況起到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作用，提高了汽車的舒適性和安全性
02.線性霍爾傳感器
線性霍爾效應(yīng)傳感器，又稱為零磁通霍爾傳感器，因?yàn)檩敵鍪潜壤盘?hào)，即模擬量，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(cè)量。
線性霍爾效應(yīng)傳感器可響應(yīng)磁極或一極，以提高器件靈敏度。此外，輸出可以是未調(diào)制的線性模擬電壓信號(hào)，或調(diào)制的具有變化的占空比的脈沖寬度調(diào)制PWM(脈寬寬度調(diào)制式)信號(hào)，以便在嘈雜環(huán)境中使用。
貯液池中的液位傳感應(yīng)用：球形浮子，內(nèi)有按鈕磁鐵在流體表面漂浮，霍爾傳感器器件和接線在一個(gè)單獨(dú)的艙室中完全隔離 資料圖
由于有著很寬的磁場(chǎng)量測(cè)范圍，且能夠識(shí)別磁極，目前，線性霍爾傳感器主要用于電力機(jī)車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)測(cè)光伏匯流箱實(shí)時(shí)輸出電流的作用、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等。另外，線性霍爾傳感器還可用于測(cè)量位置和位移，如液位探測(cè)、水流探測(cè)等。
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