霍爾傳感器簡介

　　霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、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，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。

　　霍爾傳感器分類

　　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壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。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。

　　（二）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。

　　線性霍爾傳感器又可分為開環式和閉環式。閉環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。。

　　霍爾傳感器工作原理

　　磁場中有一個霍爾半導體片，恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導體時向一側偏移，使該片在CD方向上產生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。

　　霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經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的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁感應強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。

　　霍爾傳感器優缺點分析

　　優點：

　　精度高：在工作溫度區內精度優于1%，該精度適合于任何波形的測量；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。

　　寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時間可小于1μs；但是，電壓傳感器帶寬較窄，一般在15kHz以內，6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時間約500uS，帶寬約700Hz。

　　測量范圍廣泛：電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。

　　結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

　　缺點：

　　互換性比較差，信號隨溫度變化，非線性輸出，最好用單片機進行非線性和溫度校正。

　　霍爾傳感器的檢測方法

　　1、開關型霍爾傳感器的檢測

　　開關型霍爾傳感器的測試方法如下：首先，找一只2kQ的電阻ILL接于①、③腳之間，并將12V直流電源的正極接于開關型霍爾傳感器的①腳、負極接于開關型霍爾傳感器的②腳（如圖1a所示）。將萬用表置于直流50V擋，紅表筆接⑧腳、黑表筆接②腳，觀察萬用表的指針變化當用磁鐵N極接近傳感器的測試點時，萬用表的指針由高電平端向低電平端偏轉；當磁鐵N極遠離傳感器的測試點時，萬用表指針由低電平端向高電平端偏轉。如果磁鐵N極接近或遠離傳感器的測試點時萬用表的指針均不偏轉，則說明該開關型霍爾傳感器已損壞，應及時更換。

　　2．線性型霍爾傳感器的檢測

　　線性型霍爾傳感器測試方法如下：首先，將圖1a中電阻ILL換接于②、③腳之間，并將12V直流電源的正極接于線性型霍爾傳感器的①腳、負極接于線性型霍爾傳感器的②腳。將萬用表置于直流50V擋，萬用表的紅表捧接③腳、黑表棒接②腳。觀察萬用表的指針變化，當用磁鐵N極逐漸接近傳感器的測試點時，萬用表所測電壓應成線性變化，否則，說明該線性型霍爾傳感器已損壞，應及時更換。

　　霍爾傳感器用途

　　霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

　　霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－55℃～150℃。

　　按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

　　霍爾傳感器應用實例

　　1.霍爾傳感器技術應用于汽車工業

　　霍爾傳感器技術在汽車工業中有著廣泛的應用，包括動力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動系統。為了滿足不同系統的需要，霍爾傳感器有開關式、模擬式和數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，效應質量的改變取決于導體的材料，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。

　　霍爾傳感器的形式決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氣門位置傳感器，也可能是數字式。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系統中的溫度表或動力控制系統中的節氣門位置傳感器。霍爾元件與微分放大器連接，放大器與NPN晶體管連接。磁鐵固定在旋轉軸上，軸在旋轉時，霍爾元件上的磁場加強。其產生的霍爾電壓與磁場強度成比例。

　　當霍爾元件用于數字信號時，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。霍爾元件與微分放大器連接，微分放大器與施密特觸發器連接。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器的輸出連接。磁場穿過霍爾元件，一個觸發器輪上的葉片在磁場和霍爾元件之間通過。

　　2.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，內部采用外部中斷0，車輪每轉一圈（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，當計數達到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，當里程計數器對里程脈沖計滿1 000次時，就有程序將當前總額累加，使微機進入里程計數中斷服務程序中。在該程序中，需要完成當前行駛里程數和總額的累加操作，并將結果存入里程和總額寄存器中。

　　3.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，還可以直接驅動各種性質的負載。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點，所以在變頻器中也發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，再經電流放大后，讓這個電流通過補償線圈，并令補償線圈產生的磁場和被測電流產生的磁場方向相反，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，Is為補償繞組中的電流，N2為補償繞組的匝數。由上式可知，達到磁平衡時，即可由Is及匝數比N2/N1得到Io。

　　霍爾電流傳感器的特點是可以實現電流的“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。