霍爾傳感器的分類、霍爾效應與霍爾傳感器的應用

　　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的場合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應為其工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃谴烹娦囊环N，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。

　　霍爾效應

　　如圖1所示，在半導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強度為B的勻強磁場，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。上述效應稱為霍爾效應，它是德國物理學家霍爾于1879年研究載流導體在磁場中受力的性質(zhì)時發(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、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，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型霍爾傳感器兩種。

　　（一）開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。開關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。。

　　開關型

　　如圖4所示，其中Bnp為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。當外加的磁感應強度超過動作點Bnp時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bnp以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bnp與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。

　　鎖鍵型

　　如圖5所示，當磁感應強度超過動作點Bnp時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废?，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強度達到BRP時，才能使電平產(chǎn)生變化。

　　線性型

　　輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁感應強度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現(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，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(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，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。

　　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)生的磁場通過一個次級線圈，電流所產(chǎn)生的磁場進行補償， 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：當主回路有一電流通過時，在導線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動相應的功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流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，因而補償了原來的磁場， 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態(tài)平衡的過程。

　　霍爾傳感器的應用

　　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，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(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，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。

　　2．位移測量

　　如圖7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，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）開關型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。

　　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脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計數(shù)器），若接入頻率計，便可測出轉(zhuǎn)速。

　　如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。

　　2．各種實用電路

　　開關型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價格便宜，因此獲得極為廣泛的應用。下面列舉兩個實用電路加以說明：

　　電路1 防盜報警器

　　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，即門處于關閉狀態(tài)時，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平，當門被非法撬開時，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好的指示器，例如公共汽車的三個門必須關閉，司機才可開車。電路如圖11所示，三片開關型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個門框上，在車門適當位置各固定一塊磁鋼，當車門開著時，磁鋼遠離霍爾開關，輸出端為高電平。若三個門中有一個未關好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關好，若三個門都關好，則或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關好，司機可放心開車。

　　霍爾傳感器技術應用于汽車工業(yè)

　　霍爾傳感器技術在汽車工業(yè)中有著廣泛的應用，包括動力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動系統(tǒng)。為了滿足不同系統(tǒng)的需要，霍爾傳感器有開關式、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體等制成，效應質(zhì)量的改變?nèi)Q于導體的材料，材料會直接影響流過傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時，汽車工業(yè)通常使用三種半導體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導體材料當屬砷化銦。

　　霍爾傳感器的形式?jīng)Q定了放大電路的不同，其輸出要適應所控制的裝置。這個輸出可能是模擬式，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。

　　當霍爾元件用于模擬式傳感器時，這個傳感器可以用于空調(diào)系統(tǒng)中的溫度表或動力控制系統(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，霍爾元件上的磁場加強。其產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場強度成比例。

　　當霍爾元件用于數(shù)字信號時，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。傳感器輸出一個開或關的信號。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電路接地。要完成這項工作，需要一個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。

　　霍爾傳感器應用于出租車計價器

　　霍爾傳感器在出租車計價器上的應用：通過安裝在車輪上的霍爾傳感器A44E檢測到的信號，送到單片機，經(jīng)處理計算，送給顯示單元，這樣便完成了里程計算。檢測原理，P3.2口作為信號的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷0，車輪每轉(zhuǎn)一圈（設車輪的周長是1 m），霍爾開關就檢測并輸出信號，引起單片機的中斷，對脈沖計數(shù)，當計數(shù)達到1 000次時，也就是1 km，單片機就控制將金額自動增加。

　　每當霍爾傳感器輸出一個低電平信號就使單片機中斷一次，當里程計數(shù)器對里程脈沖計滿1 000次時，就有程序?qū)斍翱傤~累加，使微機進入里程計數(shù)中斷服務程序中。在該程序中，需要完成當前行駛里程數(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用

　　在有電流流過的導線周圍會感生出磁場，再用霍爾器件檢測由電流感生的磁場，即可測出產(chǎn)生這個磁場的電流的量值。由此就可以構成霍爾電流、電壓傳感器。因為霍爾器件的輸出電壓與加在它上面的磁感應強度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個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)動各種性質(zhì)的負載。因為霍爾器件的應用原理簡單，信號處理方便，器件本身又具有一系列的獨特優(yōu)點，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昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應時間短于1μs，因此，出現(xiàn)過載短路時，在晶體管未達到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護。

　　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的控制及計算，因此選用了零磁通方式。將霍爾器件的輸出電壓進行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個電流通過補償線圈，并令補償線圈產(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，這時下式成立：

　　Io=Is（N2/N1）

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

　　霍爾電流傳感器的特點是可以實現(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現(xiàn)電流檢測，它們靠磁場進行耦合。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。