霍尔效应传感器其输出与被检测磁场的强度成正比变化

霍尔效应传感器是一种磁传感器，可用于检测永磁体或电磁铁产生的磁场强度和方向，其输出与被检测磁场的强度成正比变化。

磁性传感器将磁性或磁性编码信息转换为电信号，供电子电路处理，在传感器和换能器教程中，我们了解了电感式接近传感器和 LDVT 以及螺线管和继电器输出执行器。

磁传感器是越来越受欢迎的固态设备，因为它们可用于许多不同类型的应用，例如感测位置、速度或定向运动。

由于其非接触式无磨损操作、低维护、坚固的设计以及密封的霍尔效应设备不受振动、灰尘和水的影响，它们也是电子设计人员的热门传感器选择。

磁性传感器的主要用途之一是在汽车系统中用于检测位置、距离和速度。例如，用于火花塞点火角的曲轴角位置、用于安全气囊控制的汽车座椅和安全带的位置或用于防抱死制动系统 (ABS) 的轮速检测。

磁传感器旨在响应各种不同应用中的各种正磁场和负磁场，一种输出信号是其周围磁场密度函数的磁传感器称为霍尔效应传感器。

霍尔效应传感器是由外部磁场激活的设备。我们知道磁场有两个重要的特性，磁通密度（B）和极性（北极和南极）。

霍尔效应传感器的输出信号是设备周围磁场密度的函数。当传感器周围的磁通密度超过某个预设阈值时，传感器会检测到它并产生称为霍尔电压 VH 的输出电压。考虑下图。

霍尔效应传感器原理

霍尔效应传感器基本上由一片薄薄的矩形 p 型半导体材料组成，例如砷化镓 (GaAs)、锑化铟 (InSb) 或砷化铟 (InAs)，它们本身会通过连续电流。

当器件放置在磁场中时，磁通量线会对半导体材料施加力，使载流子、电子和空穴偏转到半导体板的任一侧。电荷载流子的这种移动是它们在穿过半导体材料时受到的磁力的结果。

当这些电子和空穴向一侧移动时，由于这些电荷载流子的积累，在半导体材料的两侧之间产生了电位差。然后电子通过半导体材料的运动受到与其成直角的外部磁场的存在的影响，并且这种影响在扁平矩形材料中更大。

利用磁场产生可测量电压的效应被称为霍尔效应，以埃德温·霍尔 (Edwin Hall) 的名字命名，他在 1870 年代发现了霍尔效应，霍尔效应的基本物理原理是洛伦兹力。要在设备上产生电势差，磁通线必须与电流垂直(90 o ) 并具有正确的极性，通常为南极。

霍尔效应提供有关磁极类型和磁场强度的信息。例如，南极会使设备产生电压输出，而北极则没有任何影响。通常，霍尔效应传感器和开关设计为在不存在磁场时处于“OFF”（开路状态）。它们只有在受到足够强度和极性的磁场时才会“开启”（闭路状态）。

霍尔效应磁传感器

基本霍尔元件的输出电压称为霍尔电压 ( VH ) ，与穿过半导体材料的磁场强度成正比（输出 ∝H  ）。

该输出电压可能非常小，即使在强磁场下也只有几微伏，因此大多数商用霍尔效应器件都带有内置直流放大器、逻辑开关电路和稳压器，以提高传感器的灵敏度、迟滞和输出电压。

这也允许霍尔效应传感器在更广泛的电源和磁场条件下工作。

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器可提供线性或数字输出。线性（模拟）传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出，输出电压与通过霍尔传感器的磁场成正比。该输出霍尔电压为：

线性或模拟传感器提供连续电压输出，该输出随强磁场而增加，随弱磁场而减小。在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，放大器的输出信号也会增加，直到它开始因电源施加的限制而饱和。磁场的任何额外增加都不会影响输出，但会使其更加饱和。

另一方面，数字输出传感器有一个施密特触发器，内置迟滞连接到运算放大器。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，设备的输出会在“OFF”状态和“ON”状态之间快速切换，而不会出现任何类型的触点弹跳。

当传感器移入和移出磁场时，这种内置滞后现象消除了输出信号的任何振荡。那么数字输出传感器只有两种状态，“ON”和“OFF”。

数字霍尔效应传感器有两种基本类型，双极型和单极型。双极传感器需要一个正磁场（南极）来操作它们，需要一个负磁场（北极）来释放它们，而单极传感器只需要一个磁性南极来在它们进出磁场时操作和释放它们场地。

大多数霍尔效应设备不能直接切换大型电气负载，因为它们的输出驱动能力非常小，约为 10 至 20mA。对于大电流负载，在输出端添加了一个集电极开路（电流吸收）NPN 晶体管。

该晶体管在其饱和区作为 NPN 漏极开关工作，只要施加的磁通密度高于“ON”预设点，它就会将输出端子短路到地。

输出开关晶体管可以是发射极开路晶体管、集电极开路晶体管配置或两者都提供推挽输出类型配置，可以吸收足够的电流以直接驱动许多负载，包括继电器、电机、LED 和灯。

霍尔效应应用

霍尔效应传感器由磁场激活，在许多应用中，该设备可由附在移动轴或设备上的单个永磁体操作。有许多不同类型的磁铁运动，例如“迎面”、“侧身”、“推拉”或“推推”等感应运动。

使用每种类型的配置，以确保灵敏度，磁通量线必须始终垂直于设备的感应区域，并且必须具有正确的极性。

此外，为确保线性度，还需要高场强磁铁，为所需的运动产生较大的场强变化。检测磁场有几种可能的运动路径，下面是使用单个磁铁的两种更常见的传感配置：正面检测和侧向检测。

正面检测

顾名思义，“正面检测”要求磁场垂直于霍尔效应传感设备，并且为了进行检测，它会直接朝向有源面接近传感器。一种“正面”的方法。

这种正面方法会产生一个输出信号VH ，在线性设备中，该信号代表磁场强度，即磁通量密度，是与霍尔效应传感器距离的函数。磁场越近因此越强，输出电压越大，反之亦然。

线性设备还可以区分正磁场和负磁场。可以使非线性设备在距磁铁的预设气隙距离处触发输出“ON”，以指示位置检测。

侧身检测

第二种传感配置是“侧向检测”。这需要以侧向运动的方式将磁铁移过霍尔效应元件的表面。

侧向或滑动检测可用于检测在固定气隙距离内移动穿过霍尔元件表面时磁场的存在，例如，计算旋转磁铁或电机的旋转速度。

根据磁场通过传感器零场中心线时的位置，可以产生表示正输出和负输出的线性输出电压。这允许进行可以是垂直的也可以是水平的定向运动检测。

霍尔效应传感器有许多不同的应用，尤其是作为接近传感器。如果环境条件包括水、振动、污垢或油，例如在汽车应用中，它们可以代替光学和光传感器。霍尔效应器件也可用于电流感测。

我们从前面的教程中知道，当电流通过导体时，会在其周围产生一个圆形的电磁场。通过将霍尔传感器放置在导体旁边，可以从产生的磁场中测量从几毫安到数千安培的电流，而无需大型或昂贵的变压器和线圈。

除了检测磁铁和磁场的存在与否，霍尔效应传感器还可用于检测铁磁材料，例如钢铁，方法是在设备的活动区域后面放置一个小型“偏置”磁铁。传感器现在位于和静态磁场中，并且将以尽可能低的 mV/G 灵敏度检测到引入铁质材料对该磁场的任何变化或干扰。

有许多不同的方法可以将霍尔效应传感器连接到电气和电子电路，具体取决于设备的类型，无论是数字的还是线性的。一个非常简单且易于构建的示例是使用发光二极管，如下所示。

位置检测器

当不存在磁场（0 高斯）时，该正面位置检测器将“关闭”。当永磁体南极（正高斯）垂直移向霍尔效应传感器的有效区域时，设备“打开”并点亮 LED。一旦切换为“ON”，霍尔效应传感器将保持“ON”。

要关闭设备并因此“关闭”LED，磁场必须降低到低于单极传感器的释放点或暴露于双极传感器的磁北极（负高斯）。如果需要霍尔效应传感器的输出来切换更大的电流负载，则可以用更大的功率晶体管替换 LED 。