如何用3D動畫講解霍爾效應(yīng)原理

3D動畫講解霍爾效應(yīng)原理

什么是霍爾效應(yīng)？

霍爾效應(yīng)是由帶電粒子（如電子）相應(yīng)電場和磁場的相互作用引起的。更為形象生動的大家可以看下面這個霍爾效應(yīng)原理動畫圖。

霍爾效應(yīng)原理動圖畫來源于外網(wǎng)

霍爾效應(yīng)原理

當(dāng)導(dǎo)電板連接到帶有電池的電路時，電流開始流動。電荷載體將沿著從板的一端到另一端的線性路徑。電荷載流子的運動導(dǎo)致磁場的產(chǎn)生。當(dāng)磁體靠近板放置時，電荷載流子的磁場會發(fā)生畸變。這擾亂了電荷載流子的直線流動。擾亂電荷載流子流動方向的力稱為洛倫茲力。

由于電荷載流子磁場的畸變，帶負(fù)電的電子將偏轉(zhuǎn)到板的一側(cè)，而帶正電的空穴將偏轉(zhuǎn)到板的另一側(cè)。在板的兩側(cè)之間會產(chǎn)生一個電位差，稱為霍爾電壓，可以用儀表測量。

霍爾效應(yīng)和洛倫茲力，藍(lán)色箭頭 B 表示垂直穿過導(dǎo)電板的磁場 霍爾效應(yīng)原理表明：當(dāng)將載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體引入垂直磁場時，可以在電流路徑成直角的位置測量電壓。 霍爾電壓表示為 VH 由公式給出：

霍爾電壓公式

VH 是導(dǎo)電板上的霍爾電壓

I 是流過傳感器的電流

B 是磁場強度

q 是電荷

n 是每單位體積的電荷載流子的數(shù)量

d 是傳感器的厚度

霍爾效應(yīng)傳感器原理

當(dāng)傳感器周圍的磁通密度超過某個預(yù)設(shè)閾值時，傳感器會檢測到它并產(chǎn)生稱為霍爾電壓 VH 的輸出電壓。具體的原理如下圖所示。

霍爾效應(yīng)傳感器基本上由一塊薄薄的矩形 p 型半導(dǎo)體材料組成，例如砷化鎵 (GaAs)、銻化銦 (InSb) 或砷化銦 (InAs)，其自身通過連續(xù)電流。

霍爾效應(yīng)傳感器原理圖 當(dāng)霍爾效應(yīng)傳感器放置在磁場中時，磁通量線對半導(dǎo)體材料施加一個力，使載流子、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動是它們穿過半導(dǎo)體材料時所經(jīng)歷的磁力的結(jié)果。 當(dāng)這些電子和空穴向側(cè)面移動時，由于這些電荷載流子的積累，在半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間會產(chǎn)生電位差。然后，電子通過半導(dǎo)體材料的運動受到與其成直角的外部磁場的影響，這種影響在扁平矩形材料中更大。 霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類型和磁場大小的信息。例如，南極會使設(shè)備產(chǎn)生電壓輸出，而北極則不會產(chǎn)生任何影響。通常，霍爾效應(yīng)傳感器和開關(guān)設(shè)計為在不存在磁場時處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開路狀態(tài)）。它們只有在受到足夠強度和極性的磁場時才會“打開”（閉路條件）。

霍爾效應(yīng)傳感器

在最簡單的形式中，傳感器作為模擬傳感器工作，直接返回電壓。在已知磁場的情況下，可以確定其與霍爾板的距離。使用傳感器組，可以推斷出磁體的相對位置。

通常，霍爾效應(yīng)傳感器與允許設(shè)備以數(shù)字（開/關(guān)）模式運行的電路相結(jié)合，并且在此配置中可能被稱為開關(guān)。下圖為包含兩個磁鐵的輪子經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器，可以明顯的看到燈的變化。

包含兩個磁鐵的輪子經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器

大多數(shù)霍爾效應(yīng)器件不能直接切換大型電氣負(fù)載，因為它們的輸出驅(qū)動能力非常小，大約為 10 到 20mA。對于大電流負(fù)載，在輸出中添加一個集電極開路（電流吸收）NPN 晶體管。如下圖所示：

該晶體管在其飽和區(qū)域中作為 NPN 灌電流開關(guān)工作，只要施加的磁通密度高于“ON”預(yù)設(shè)點的磁通密度，就會將輸出端子短接到地。 輸出開關(guān)晶體管可以是發(fā)射極開路晶體管、集電極開路晶體管配置或兩者都提供推挽輸出類型配置，該配置可以吸收足夠的電流以直接驅(qū)動許多負(fù)載，包括繼電器、電機、LED 和燈。

典型的霍爾效應(yīng)開關(guān)圖 霍爾效應(yīng)傳感器可提供線性或數(shù)字輸出。線性（模擬）傳感器的輸出信號直接取自運算放大器的輸出，輸出電壓與通過霍爾傳感器的磁場成正比。該輸出霍爾電壓為：

霍爾電壓公式圖

V H是以伏特為單位的霍爾電壓

R H是霍爾效應(yīng)系數(shù)

I是流過傳感器的電流，單位為安培

t是傳感器的厚度，單位為 mm

B是特斯拉的磁通量密度

線性或模擬傳感器提供連續(xù)的電壓輸出，該輸出隨強磁場增加而隨著弱磁場減少。在線性輸出霍爾效應(yīng)傳感器中，隨著磁場強度的增加，來自放大器的輸出信號也會增加，直到它開始因施加電源的限制而飽和。 磁場的任何額外增加都不會對輸出產(chǎn)生影響，但會使其更加飽和。

霍爾傳感器測量方法--磁場的運動路徑

霍爾效應(yīng)傳感器由磁場激活，在許多應(yīng)用中，該設(shè)備可以通過連接到移動軸或設(shè)備的單個永磁體來操作。有許多不同類型的磁鐵運動，例如“正面”、“側(cè)身”、“推拉”或“推-推”等感應(yīng)運動。

使用每種類型的配置，以確保最大靈敏度，磁通線必須始終垂直于設(shè)備的感應(yīng)區(qū)域，并且必須具有正確的極性。 此外，為了確保線性，需要高場強磁鐵，以便為所需的運動產(chǎn)生較大的場強變化。檢測磁場有多種可能的運動路徑，以下是使用單個磁體的兩種更常見的傳感配置：正面檢測和側(cè)向檢測。 1、霍爾傳感器測量方法--正面檢測 顧名思義，“正面檢測”要求磁場垂直于霍爾效應(yīng)傳感設(shè)備，并且為了檢測，它直接朝向有源面接近傳感器。一種“正面”的方法。

這種正面方法會產(chǎn)生一個輸出信號VH，它在線性器件中表示磁場強度，即磁通量密度，它是距霍爾效應(yīng)傳感器的距離的函數(shù)。距離越近，磁場越強，輸出電壓越大，反之亦然。 線性器件還可以區(qū)分正磁場和負(fù)磁場。非線性裝置可以在遠(yuǎn)離磁鐵的預(yù)設(shè)氣隙距離處觸發(fā)輸出“ON”，以指示位置檢測。 2、霍爾傳感器測量方法--側(cè)身檢測 第二種傳感配置是“橫向檢測”。這需要在霍爾效應(yīng)元件的表面上橫向移動磁鐵。 當(dāng)磁場在固定氣隙距離內(nèi)穿過霍爾元件的表面時，側(cè)向或滑過檢測對于檢測磁場的存在很有用，例如，計算旋轉(zhuǎn)磁鐵或電機的旋轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)磁場通過傳感器零場中心線時的位置，可以產(chǎn)生表示正輸出和負(fù)輸出的線性輸出電壓。這允許定向運動檢測，它可以是垂直的也可以是水平的。

霍爾傳感器--位置檢測器

根據(jù)設(shè)備的類型（無論是數(shù)字的還是線性的），有許多不同的方法可以將霍爾效應(yīng)傳感器連接到電氣和電子電路。一個非常簡單且易于構(gòu)建的實例如下圖：

位置檢測器 當(dāng)不存在磁場（0 ）時，正面位置檢測器將“關(guān)閉”。當(dāng)永磁體南極（正高斯）垂直移動到霍爾效應(yīng)傳感器的有效區(qū)域時，設(shè)備將“打開”并點亮 LED。一旦切換“ON”，霍爾效應(yīng)傳感器將保持“ON”。

霍爾傳感器優(yōu)缺點

優(yōu)點 1. 霍爾效應(yīng)傳感器可以用作電子開關(guān)。

這種開關(guān)的成本低于機械開關(guān)，而且更可靠。

它的工作頻率最高可達(dá) 100 kHz。

它不會受到觸點反彈的影響，因為使用了具有滯后功能的固態(tài)開關(guān)而不是機械觸點。

由于傳感器采用密封包裝，因此不會受到環(huán)境污染物的影響。因此，它可以在惡劣的條件下使用。

2. 對于線性傳感器（用于磁場強度測量），霍爾效應(yīng)傳感器：

可以測量范圍廣泛的磁場

可以測量北極或南極磁場

可以是平的

缺點

霍爾效應(yīng)傳感器提供的測量精度遠(yuǎn)低于磁通門磁力計或基于磁阻的傳感器。此外，霍爾效應(yīng)傳感器漂移顯著，需要補償。

編輯：黃飛

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