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各类霍尔传感器的原理及实际应用

霍尔效应传感器是历史最为悠久的磁传感器,也是目前最受欢迎的磁传感器之一。由于具备低成本、低功耗、距离感应、可靠性高、寿命长等诸多优点,目前,霍尔传感器被应用于开关位置检测、防篡改检测等多功能性应用中。霍尔传感器可分为霍尔开关和线性霍尔传感器两类。

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  在电子时代,磁传感器在电机、汽车工业、工业自动控制、机器人、楼宇办公自动化、家用电器等诸多方面都有着广泛的应用,如用于感测速度、运动和方向等。其中,霍尔效应传感器的历史最为悠久,也是目前最受欢迎的磁传感器之一。由于具备低成本、低功耗、占地面积小、距离感应、可靠性高、寿命长等诸多优点,霍尔传感器被应用于电机旋转编码计数、开关位置检测、防篡改检测等多功能性应用中。

霍尔传感器原理示意图

在霍尔效应中,垂直于电流流动方向的磁通量会产生可测量的电压。

  霍尔效应和霍尔传感器的原理

  霍尔效应原理是Edwin Hall于1879年,在研究金属的导电机构时发现的。后来,还发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,被广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等领域。

  作为一种流行的磁传感器技术,霍尔传感器的原理是在向导体施加垂直磁场时,在载流导体(通常称为霍尔元件)中会产生差分电压。电压是由施加的磁场引起的洛伦兹力的结果,其导致电流电子集中在导体的一端,并在两端之间产生电势差。

  具体来说,霍尔效应传感器由一块薄的矩形p型半导体材料组成,例如砷化镓,锑化铟或砷化铟,它们通过自身连续的电流。当器件放置在磁场中时,磁通线在半导体材料上施加力,该力使电荷载流子,电子和空穴偏转到半导体板的任一侧。电荷载流子的这种运动是它们经过半导体材料所经受的磁力的结果。当这些电子和空穴移动侧边时,通过这些电荷载流子的积累在半导体材料的两侧之间产生差分电压即电位差。

霍尔传感器采用的霍尔效应原理示意图

霍尔效应示意图

  上图显示了霍尔效应原理以及电流、电压和磁场之间的关系。产生的电压通常称为霍尔电压(VH)。当不存在磁场时,电流电子的分布是均匀的,这时VH是零。当施加磁场时,电流电子的分布受到干扰,并将导致与电流和施加的磁场的交叉积成比例的非零VH。电流通常是固定的,导致VH与施加的磁场之间的直接关系。

  霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低。霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。

  霍尔传感器的分类及应用

  按阈值和线性分类,霍尔传感器可分为霍尔开关和线性霍尔传感器两类。

霍尔传感器可用于检测电机转数等多种应用

霍尔传感器可用于检测电机转数、监测电池供电的门铃,以及烟雾探测器等应用中。

  霍尔开关

  霍尔开关由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成,输出数字信号。它是一种基于阈值的霍尔效应传感器,可作为一个开关,通过单个输出(全极),两个输出(双极单极),锁存输出(双极)或一个极(单极)响应任一磁极。通常,如果场来自南极,则输出电压为正。如果场源是北极,则输出电压为负。

  霍尔开关经过一次磁场强度的变化,则完成了一次开关动作,输出数字信号,因此可用于计算汽车或机器转速、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、机车的自动门开关、无刷直流电动机、汽车点火系统、门禁和防盗报警器、自动贩卖机、打印机等。

霍尔传感器在电动车窗系统中具有计数功能

在电动车窗系统中,霍尔传感器的计数功能,对车窗开关到位情况起到了实时监测作用,提高了汽车的舒适性和安全性。

  线性霍尔传感器

  线性霍尔效应传感器,又称为零磁通霍尔传感器,因为输出是比例信号,即模拟量,线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。

  线性霍尔效应传感器可响应磁极或一极,以提高器件灵敏度。此外,输出可以是未调制的线性模拟电压信号,或调制的具有变化的占空比的脉冲宽度调制PWM(脉宽宽度调制式)信号,以便在嘈杂环境中使用。

霍尔传感器可用于贮液池中的液位传感检测

贮液池中的液位传感应用:球形浮子,内有按钮磁铁在流体表面漂浮,霍尔传感器器件和接线在一个单独的舱室中完全隔离。资料图

  由于有着很宽的磁场量测范围,且能够识别磁极,目前,线性霍尔传感器主要用于电力机车、地下铁道、无轨电车、铁路等,还可用于变频器中用于监控电量、光伏直流柜监测光伏汇流箱实时输出电流的作用、电动机保护等。另外,线性霍尔传感器还可用于测量位置和位移,如液位探测、水流探测等。

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