霍爾效應(yīng)傳感器的5個(gè)重要應(yīng)用

磁傳感器是能夠檢測(cè)和分析由磁鐵或電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的設(shè)備。它們可用于不同類型的應(yīng)用，例如感應(yīng)磁場(chǎng)位置和角度的變化，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度或方向的變化等。

【導(dǎo)讀】磁傳感器是能夠檢測(cè)和分析由磁鐵或電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的設(shè)備。它們可用于不同類型的應(yīng)用，例如感應(yīng)磁場(chǎng)位置和角度的變化，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度或方向的變化等。

什么是磁傳感器？

磁性傳感器

磁傳感器是能夠檢測(cè)和分析由磁鐵或電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的設(shè)備。它們可用于不同類型的應(yīng)用，例如感應(yīng)磁場(chǎng)位置和角度的變化，感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度或方向的變化等。

有多種類型的磁傳感器，例如用于檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾效應(yīng)傳感器（霍爾開(kāi)關(guān)、線性霍爾傳感器等），用于檢測(cè)磁場(chǎng)方向變化的磁阻傳感器、用于檢測(cè)磁場(chǎng)角度變化的角度傳感器、3D 霍爾傳感器以及磁性速度傳感器。霍爾效應(yīng)傳感器被廣泛應(yīng)用于接近傳感器、位置和速度測(cè)量等領(lǐng)域。它們甚至用于計(jì)算機(jī)打印機(jī)、氣缸、計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)等。

磁傳感器通常是一種固態(tài)器件，由于其高精度和準(zhǔn)確度高、操作少、維護(hù)成本相對(duì)較低、設(shè)計(jì)緊湊等特點(diǎn)，如今需求量很大。例如，工業(yè)應(yīng)用是可用的，密封的霍爾效應(yīng)器件是防水的，并且其制造方式也可以抵抗任何振動(dòng)。

磁傳感器廣泛用于汽車系統(tǒng)，特別是用于分析汽車座椅、安全帶的位置和用于控制安全氣囊系統(tǒng)以及用于檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速以用于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）。

霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器是磁傳感器，其輸出取決于磁傳感器周圍的磁場(chǎng)或磁通量密度。

● “霍爾”這個(gè)詞來(lái)自第一次發(fā)現(xiàn)這種霍爾效應(yīng)的 Edwin Hall 博士。

● 如果存在垂直于電流通過(guò)的物體的外部磁場(chǎng)，則會(huì)在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

什么是霍爾電壓 ？

如果在磁傳感器中施加外部磁場(chǎng)，它就會(huì)被激活。霍爾效應(yīng)傳感器的輸出電壓與通過(guò)的施加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。在外場(chǎng)超過(guò)特定的磁通密度閾值后，會(huì)產(chǎn)生輸出電壓，通常稱為霍爾電壓（VH）。

霍爾系數(shù)

霍爾系數(shù)RH的單位通常以m3/C, or Ω·cm/G 表示。

霍爾效應(yīng)傳感器的構(gòu)造：

霍爾效應(yīng)傳感器通常由一塊矩形半導(dǎo)體組成，例如銦銻 (InSb) 或砷化鎵 (GaAs)，稱為霍爾探頭，安裝在 鋁板上并完全覆蓋在探頭內(nèi)部。由非磁性材料制成的探針柄與探針頭連接，使得半導(dǎo)體矩形板的平面垂直于探針柄。

當(dāng)設(shè)備被激活時(shí)，電流會(huì)持續(xù)流過(guò)半導(dǎo)體。如果外部磁場(chǎng)線與探頭成直角，使得磁場(chǎng)線穿過(guò)探頭傳感器的直角，則會(huì)產(chǎn)生稱為“霍爾效應(yīng)”電壓的電壓，并且設(shè)備會(huì)提供讀數(shù)外場(chǎng)的磁通密度 (B)。

霍爾效應(yīng)傳感器的符號(hào)：

什么是霍爾效應(yīng)傳感器？

霍爾效應(yīng)傳感器的工作原理

● 霍爾效應(yīng)傳感器的工作主要是由于洛倫茲力的影響（它是帶電粒子由于電場(chǎng)或磁場(chǎng)而受到的力，即簡(jiǎn)單的電磁場(chǎng)）。

● 在存在足夠大小的現(xiàn)有外部磁場(chǎng)的情況下，半導(dǎo)體板中的電子被偏轉(zhuǎn)向板的一個(gè)邊緣，即，由于作用在它們上的洛倫茲力，空穴和電子向板的任一側(cè)移動(dòng)。

● 為此，半導(dǎo)體的一側(cè)帶負(fù)電，而另一側(cè)則帶正電。由于在這兩側(cè)積累了相反的電荷，這會(huì)在矩形板的兩側(cè)產(chǎn)生電壓梯度。該電壓稱為霍爾電壓 (V H )，通過(guò)使用外部磁場(chǎng)產(chǎn)生這種可測(cè)量的霍爾電壓的效果稱為霍爾效應(yīng)。

● 為了產(chǎn)生電位差以產(chǎn)生可測(cè)量的電壓，外部磁場(chǎng)線必須與電流流過(guò)平板的平面成直角。此外，應(yīng)為霍爾效應(yīng)傳感器提供正確的極性以使其工作。

霍爾效應(yīng)傳感器工作

● 當(dāng)電子和空穴相互遠(yuǎn)離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電位梯度，并且分離會(huì)增加，直到電場(chǎng)產(chǎn)生的力與磁場(chǎng)產(chǎn)生的力相平衡。當(dāng)兩個(gè)力相互平衡時(shí)，電流不會(huì)發(fā)生變化，并且在該點(diǎn)檢測(cè)到的霍爾電壓并根據(jù)該磁通密度 (B) 已計(jì)算出來(lái)。

● 如果輸出電壓與磁通密度成線性關(guān)系，則稱其為線性霍爾效應(yīng)傳感器，如果在不同磁通密度下輸出電壓有急劇下降，則稱為閾值霍爾效應(yīng)傳感器。

● 我們聽(tīng)說(shuō)過(guò)感應(yīng)式傳感器，它會(huì)響應(yīng)變化的磁場(chǎng)，因?yàn)樗鼤?huì)在線圈中感應(yīng)出電流，從而在其輸出中產(chǎn)生電壓。因此，電感式傳感器只能檢測(cè)靜態(tài)（不變）磁場(chǎng)，而霍爾效應(yīng)傳感器可以檢測(cè)變化和不變的磁場(chǎng)。

● 霍爾效應(yīng)傳感器可以提供有關(guān)用于產(chǎn)生電壓的磁極類型以及外部磁通密度 (B) 大小的信息。使用一組傳感器，我們可以找到所使用的外部磁鐵的相對(duì)位置。

● 霍爾效應(yīng)傳感器的輸出電壓通常非常小，即使在傳感器上施加強(qiáng)外部磁場(chǎng)時(shí)也只有幾微伏。因此，大多數(shù)市售霍爾效應(yīng)傳感器都內(nèi)置有直流放大器和穩(wěn)壓器，以提高傳感器的靈敏度和輸出電壓的幅度。

模擬和數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器的輸出可以是線性（模擬）或數(shù)字。線性霍爾效應(yīng)傳感器的輸出與外部磁場(chǎng)成正比，即通過(guò)傳感器的磁通量密度取自差分運(yùn)算放大器的輸出。霍爾效應(yīng)線性（模擬）傳感器具有隨外部磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的連續(xù)電壓輸出。

霍爾效應(yīng)傳感器公式：

線性霍爾效應(yīng)傳感器的輸出可以表示為：

在霍爾效應(yīng)的情況下，數(shù)字傳感器的輸出取自 OPAMP 的輸出，而 OPAMP 又與具有內(nèi)置滯后功能的施密特觸發(fā)器相連，從而減少了輸出電壓的振蕩。在這種情況下，只有當(dāng)外部場(chǎng)強(qiáng)高于設(shè)備中的特定值時(shí)，設(shè)備才會(huì)從關(guān)閉狀態(tài)切換到開(kāi)啟狀態(tài)。

霍爾效應(yīng)傳感器類型：

根據(jù)它們運(yùn)行所需的外部磁極的類型，霍爾效應(yīng)傳感器有兩種類型。

1、雙極

2、單極

使用單個(gè)磁鐵的霍爾效應(yīng)傳感器中最常見(jiàn)的兩種傳感配置是正面檢測(cè)和側(cè)向檢測(cè)。在側(cè)向檢測(cè)中，需要在霍爾效應(yīng)元件的正面?zhèn)认蛞苿?dòng)磁鐵。在正面檢測(cè)中，磁鐵以垂直于霍爾元件平面的方式朝向和遠(yuǎn)離霍爾元件移動(dòng)。

霍爾效應(yīng)傳感器的應(yīng)用：

● 位置傳感器： 在開(kāi)/關(guān)模式下工作時(shí)，即具有數(shù)字輸出，檢測(cè)磁性材料的出現(xiàn)是霍爾效應(yīng)傳感器的重要工業(yè)應(yīng)用之一。

● 直流變壓器： 霍爾效應(yīng)傳感器用于測(cè)量直流磁通量，從而可以計(jì)算出直流電流。

● 鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)： 對(duì)于某些計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)，正在使用霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)。但由于其成本相對(duì)較高，其高可靠性僅限于航空航天和軍事領(lǐng)域。

● 油位指示器： 霍爾效應(yīng)傳感器使用位置感應(yīng)來(lái)感應(yīng)浮動(dòng)元件的位置，并用作汽車油位指示器。

● 電動(dòng)跑步機(jī)： 霍爾傳感器在這里用于速度傳感器，也用于因意外跌倒而導(dǎo)致的緊急停止。跑步機(jī)中使用者的腰帶與拉繩相連，而拉繩又與磁鐵相連。如果用戶不小心跌倒，磁鐵會(huì)脫落，電源會(huì)中斷，機(jī)器會(huì)停止。

審核編輯 黃昊宇