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霍尔传感器是什么?霍尔传感器的工作原理

来源:电工天下   编辑:小电工发布时间:2020-02-06 08:27:13

有关霍尔传感器的工作原理,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏传感器,作为霍尔传感器中的磁电转换元件,可以进行电磁测量,如测量磁场、电流、电功率等磁物理量和电量。

霍尔传感器的工作原理

一、霍尔传感器是什么

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏传感器。

将通有电流的物体放在磁场中,如果电流方向与磁场方向互相垂直,则在与磁场和电流方向都垂直的方向上会产生横向电势差,这个现象称为霍尔效应,产生的电势差称为霍尔电压。

采用产生霍尔效应显著的半导体材料制成霍尔器件,作为霍尔传感器中的磁电转换元件,可以进行电磁测量,如测量磁场、电流、电功率等磁物理量和电量。

霍尔传感器还可以利用磁场作为媒介,对很多物理量实现非接触式测量,通过转换测量力、位移、振动、加速度、转速、流量等非电量,广泛应用于工业、交通、通信、自动控制、家用电器等各个领域。

二、霍尔传感器的工作原理

霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础,是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

一、霍尔效应霍尔元件 霍尔传感器

(一)霍尔效应

如图1所示,在半导体薄片两端通以控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为UH的霍尔电压,

它们之间的关系为 霍尔传感器

霍尔传感器2

其中d 为薄片的厚度,k称为霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关。

上述效应称为霍尔效应,它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

(二)霍尔元件

根据霍尔效应,人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此,在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

(三)霍尔传感器

由于霍尔元件产生的电势差很小,故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上,称之为霍尔传感器。

霍尔传感器3

霍尔传感器也称为霍尔集成电路,其外形较小,如图2所示,是其中一种型号的外形图。

二、霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

(一)线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。

(二)开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成,它输出数字量。

三、霍尔传感器的特性

(一)线性型霍尔传感器的特性

霍尔传感器4

输出电压与外加磁场强度呈线性关系,如图3所示,可见,在B1~B2的磁感应强度范围内有较好的线性度,磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

(二)开关型霍尔传感器的特性

如图4所示,其中BOP为工作点“开”的磁感应强度,BRP为释放点“关”的磁感应强度。

霍尔传感器5

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时,传感器输出低电平,当磁感应强度降到动作点Bop以下时,传感器输出电平不变,一直要降到释放点BRP时,传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

另外还有一种“锁键型”(或称“锁存型”)开关型霍尔传感器,其特性如图5所示。

霍尔传感器6

当磁感应强度超过动作点Bop时,传感器输出由高电平跃变为低电平,而在外磁场撤消后,其输出状态保持不变(即锁存状态),必须施加反向磁感应强度达到BRP时,才能使电平产生变化。

四、霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,这个磁场是被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量,例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电学量来进行检测和控制。

(一)线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如:

1.电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场,其大小与导线中的电流成正比,故可以利用霍尔传感器测量出磁场,从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适合于大电流传感。

霍尔传感器7

霍尔电流传感器工作原理如图6所示,标准圆环铁芯有一个缺口,将霍尔传感器插入缺口中,圆环上绕有线圈,当电流通过线圈时产生磁场,则霍尔传感器有信号输出。

2.位移测量

如图7所示,两块永久磁铁同极性相对放置,将线性型霍尔传感器置于中间,其磁感应强度为零,这个点可作为位移的零点,当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时,传感器有一个电压输出,电压大小与位移大小成正比。

霍尔传感器8

如果把拉力、压力等参数变成位移,便可测出拉力及压力的大小,如图8所示,是按这一原理制成的力传感器。

霍尔传感器9

(二)开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

1.测转速或转数

如图9所示,,在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢,霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处,圆盘旋转一周,霍尔传感器就输出一个脉冲,从而可测出转数(计数器),若接入频率计,便可测出转速。

霍尔传感器10

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上,当装在运动车辆上的永磁体经过它时,可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

2.各种实用电路

开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽,工作可靠,价格便宜,因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明:

电路1 防盗报警器

霍尔传感器11

如图10所示,将小磁铁固定在门的边缘上,将霍尔传感器固定在门框的边缘上,让两者靠近,即门处于关闭状态时,磁铁靠近霍尔传感器,输出端3为低电平,当门被非法撬开时,霍尔传感器输出端3为高电平,非门输出端Y为低电平,继电器J吸合,Ja闭合,蜂鸣器得电后发出报警声音。

电路2 公共汽车门状态显示器

霍尔传感器12

使用霍尔传感器,只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器,例如公共汽车的三个门必须关闭,司机才可开车。电路如图11所示,三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上,在车门适当位置各固定一块磁钢,当车门开着时,磁钢远离霍尔开关,输出端为高电平。若三个门中有一个未关好,则或非门输出为低电平,红灯亮,表示还有门未关好,若三个门都关好,则或非门输出为高电平,绿灯亮,表示车门关好,司机可放心开车。

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