霍尔效应传感器

检测磁场最常用和广泛的方法是各种传感技术中的霍尔效应方法。基于霍尔效应,存在许多霍尔效应传感器或传感器,这些传感器在各种应用中发现,最常用于感测接近,速度,电流和位置。

这是因为它可以在同一硅模具上用辅助信号处理电路构建或构建集成电路(IC)上的霍尔效应传感器。

由于许多磁性测量应用,由于小尺寸,坚固性,易用性和成本集成的霍尔效应传感器的优点。

使用这些霍尔效应传感器的一些应用领域是;在工业控制中作为编码器,速度传感器和行驶传感器的结束,在计算机中作为磁盘驱动器指数传感器和无刷风扇的换向,在汽车作为防姑娘制动系统(ABS)和点火时间,在消费设备中作为运动设备,等等。

霍尔 - 效应传感器
霍尔 - 效应传感器

采用霍尔的理论

霍尔效应是1879年由约翰霍普金斯大学的埃德温·霍尔通过实验发现的。由于实验的微妙性质,用当时可用的仪器,从材料中获得的电压是极低的(以微伏计)。

因此,在研制出合适的材料之前,霍尔效应在实验室之外是不可能使用的。半导体材料的发展使高质量的传感器的制造成为霍尔效应的实际应用。

霍尔效应是在磁场中放置在磁场中的电流承载导体的相对边缘的电压产生电压。

当电流通过放置在磁场中的导体时,在垂直于磁场的方向上穿过导体的电位差,并且电流和其幅度与电流和磁场成比例。

这被称为霍尔效应,是许多磁场测量仪器和设备的基础。

考虑下面演示霍尔效应的简单设置。一种导电材料或极板由电池提供,使电流I通过。电压表的一对探头连接在板的两侧,这样在没有磁场的情况下,测量的电压为零。

当磁场被施加到板上,使得它与电流流程直角,则对于导体中的电流分布出现小电压。该力作用在电流上,并将电流包围到导线或导体的一侧,这导致导体上的电位差异。

如果磁场的极性被反转,则感应电压也倒在板上。这种现象是霍尔效应。

采用霍尔的理论

霍尔效应基于外部磁场与移动电荷载流子之间的相互作用。在给出磁场时作用在移动电子上的侧力

f = qvb.

其中B是磁通密度,V是电子和Q的速度是电子电荷。考虑上述图,其中磁场偏转了电荷的移动。扁平导电条放置在磁场中,左侧和右侧的条带的附加触头连接到电压表。

条带的下端和上端子连接到电源供电源。由于存在磁通量,移动电子通过偏转力朝向条带的右侧移动。这导出比左侧更负,因此存在潜在的差异。

该电压称为霍尔电压,其幅度和方向取决于电流和磁场的两个幅度和方向。霍尔电压给出

VH= hibsinα.

其中H是整体灵敏度的系数,这取决于板材,温度及其几何形状,α是磁场矢量和霍尔板之间的角度,并且I是电流密度。

整体灵敏度取决于霍尔系数,即单位电流密度/单位磁场强度的横向电势梯度。因此,霍尔系数为

H = 1 / NCQ

其中C是光的速度,n是每单位体积的电子的数量。

霍尔效应传感器

大多数传感器使用霍尔效应来感测磁场的存在,这种传感器称为霍尔效应传感器。磁传感器的基本元件是霍尔元素。这些传感器通常包装在四个端子壳体中,其中两个端子是控制端子,并且其他两个是差分输出端子。

控制电流在控制端子处施加,而在差分输出端子处观察到输出。基本的霍尔效应传感器将磁场转换为电信号。

磁系统将诸如位置,速度,电流,温度等的物理量转换为磁场,这又可以通过霍尔效应传感器感测。

基本霍尔效应传感器

霍尔效应传感器由硅材料制成,主要分为两种类型,即基本传感器和集成传感器。主动元素的霍尔系数和电流密度是在制造霍尔效应传感器以产生高输出电压的同时考虑的两个重要参数。

因此,高霍尔系数和低电阻是霍尔元素的两个重要要求。用于在这些传感器中制造元件的一些材料包括INSB,GE,INA和GAAs。

霍尔效应集成电路(IC)传感器

将集成技术与霍尔效应原理相结合,制成霍尔效应IC开关。与光电子或感应式传感器相比,霍尔效应集成电路更有效,成本更低,效率更高。

这种传感器是一个集成电路芯片,其中构建了信号放大器,霍尔电压发生器和施密特触发电路等各种组件。这些IC检测铁磁性材料或永磁体或具有施加磁偏压的电磁铁的磁场强度的变化。

这些IC用于各种应用,如对准控制,速度控制,点火系统,机械限位开关,机床,计算机,键盘,按钮,安全系统等。

霍尔效应集成电路(IC)传感器

这些IC在各种配置中使用Silicon-CMOS技术制造。上图显示了4个引脚封装的霍尔效应传感器IC。除了总4引脚中,2个引脚连接到恒压源,另外两个连接到电压表。

连接的布置如下图所示。当没有磁场时,薄片上测量到的电压可以忽略不计。

当磁场施加在偏置的霍尔效应传感器时,使得通量线与流过霍尔元件的电流直角,则电压在Hall IC的输出端子中产生,其大小比例磁场强度。

霍尔效应传感器IC连接

霍尔效应传感器的类型

霍尔效应传感器需要一个信号调节电路,使其输出可用于许多其他应用。该信号条件电路进行放大,电压调节,温度补偿,线性等。主要是有两种类型的霍尔效应传感器,即模拟和双级传感器。

模拟霍尔效应传感器

与基本的霍尔传感器相比,这些传感器在更宽的电压范围内运行,并且在嘈杂的环境中也稳定。下图显示了模拟输出霍尔效应装置,其产生与其暴露的磁场成比例的模拟电压。

放大器设置有偏置或固定偏移,使得当磁场不存在时,偏置电压出现在被认为是空电压的输出上。磁场可以是霍尔元件的正面或负面。

因此,当探测到正磁场时,输出电压高于零值,当探测到负磁场时,输出电压低于零值。

有了这些传感器,输出电压在电源施加的限制内,因此,在达到电源限制之前,放大器将开始饱和如图所示。

需要注意的是,饱和现象发生在放大器中,而不是霍尔元件中,因此较大的磁场不会对霍尔传感器造成损伤。

而且,这些传感器对于磁场而言不是完全线性的,因此它们需要适当的校准以进行高精度测量。此外,通过将推挽式晶体管,开口电机或打开发射器添加到差分放大器的输出,增加了装置的接口柔韧性。

模拟霍尔效应传感器

数字输出霍尔效应传感器

这些传感器的输出有两个级别:打开或关闭。这些传感器也称为双级传感器。此外,放大器包含施密特触发器,内置阈值级别的滞后。该施密特触发器布置通过将差分放大器输出与固定参考进行比较来将模拟信号转换为数字输出。

因此,当差分放大器输出大于参考或预设值时,施密特触发器在低于参考值时打开,Schmitt触发关闭。

两个电平输出信号作为磁场的功能如图所示。在此,滞后通过引入在参考或预设值之后禁用动作的死区区域来消除可避免的振荡。

数字输出霍尔效应传感器

霍尔效应传感器的应用

取决于应用,霍尔效应传感器以各种配置构建。这些是在工业过程控制,生物医学,汽车,电信,自动柜员等各种应用领域中使用的非常流行的测量装置。

这些非常广泛地用作位置传感器,液位测量,限位开关和流量测量。一些设备基于霍尔效应电流传感器,霍尔效应叶片开关和霍尔效应磁场强度传感器等一些器件。霍尔效应传感器的一些应用如下所述。

位置传感器

霍尔效应传感器用于传感滑动运动。在这种类型的OFF传感器中,霍尔元件和磁体之间会有紧密控制的间隙,如图所示。

当磁体在一个固定的间隙前后移动时,感应磁场就会发生变化。当元素接近北极时,这个磁场是负的,当元素接近南极时是正的。

位置传感器

这些传感器也称为接近传感器,用于精确定位。下图示出了四个数字输出双极传感器,其被螺纹拧入铝壳中,并由安装在杆上的一个磁体致动。

当磁体以可接受的尺寸限制移动时,这些传感器产生信号。从参考表面,这些信号表示测量的距离。这种类型的布置也称为多位置感测。这种应用的最佳示例是检测照片处理设备的各种镜头位置。

邻近传感器

流量测量

下图显示了用于测量流动的霍尔效应传感器。腔室设置有流体流动的流体和流体输出开口。具有螺纹轴布置的弹簧加载的桨叶将磁性组件移动到朝向霍尔磁体上。

随着流速通过腔室增加,弹簧加载的桨叶转动螺纹轴。因此,随着轴转动,因此磁性组件向上升起,因此换能器通电。

当流量减小时,弹簧线圈会导致磁性组件下降。因此,换能器输出降低。这种整个布置被校准,使得在测量的电压和流速之间存在线性关系。

流体流量测量

液位测量

该方法利用霍尔效应传感器来测定浮子的高度,从而测量罐内的液位。下面的图说明了一种安排浮子和霍尔效应元件或传感器IC在一个坦克。该浮子附着一块磁铁,其驱动可改变霍尔元件附近或远处的磁场距离。

液位测量

随着液位上升的,磁体更靠近传感器,因此输出电压增加,而当液位下降时,该电压降低。因此,该系统提供简单的液位测量,而没有罐内的任何电连接。

RPM传感器

速度或RPM传感是霍尔效应传感器最常见的应用。在速度传感中,一个霍尔效应传感器被固定放置在这样一种方式,它面对旋转的磁铁。这个旋转的磁铁产生的磁场需要操作传感器或霍尔元件。

旋转磁铁的布置方式可根据应用的便利性而有所不同。其中一些安排是在轴或轮毂上安装单个磁铁,或通过使用环形磁铁。霍尔传感器每次面对磁铁时都会输出脉冲。

此外,这些脉冲由处理器控制,以确定和显示转速。这些传感器可以是数字或线性模拟输出传感器。

RPM传感器

无刷直流电机传感器

无刷直流电动机的功率分布由电子换向而不是机械换向控制。三个数字双极霍尔效应传感器放置在转子的杆面附近定子的一端,以执行电子换向。

为了操作这些传感器,永磁材料被安装在转子轴上。这些传感器测量旋转磁铁的位置,从而确定何时应将电流施加到电机线圈上,使磁铁朝正确的方向旋转。

霍尔效应传感器感知到的信息馈送到逻辑电路,该逻辑电路进一步对该信息进行编码并控制驱动电路。这种类型的反馈机制由霍尔效应传感器提供,用于测量转子的速度和位置,许多无刷直流电机控制应用,因为更大的灵活性。

无刷直流电机传感器

电流传感器

霍尔效应电流传感器用于测量交流和直流电流。通过使用线性模拟霍尔效应传感器,可以测量从250 mA到数千个安培的电流。

该隔离的模拟输出电压进一步数字化;通过添加放大器进行水平移位和温度补偿。

载流导体总是被磁场包围,因此在磁场附近放置一个线性霍尔效应传感器,然后在传感器的输出端产生如图所示的电压。这个电压与导体周围的磁场强度成正比。

电流传感器

可以通过使用霍尔效应传感器与电磁铁一起使用更敏感和非常有效的隔离电流传感装置。这种布置包括开槽铁氧体环芯,其具有位于间隙中的霍尔效应IC传感器。

传感器由芯包围,因此芯充当磁通集中器,因为它将诱导的磁场聚焦到霍尔元件的位置,如图所示。

通过改变核心上的绕组数量,可以使用该传感器少许千peres电流测量。霍尔效应传感器的输出电压与流过绕组的电流成比例,因此电流测量。

霍尔效应电流传感器

温度或压力传感器

霍尔效应传感器也可用作压力和温度。这些传感器与压力偏转的隔膜结合,具有适当的磁体。波纹管的磁性组件致动到霍尔效应元件。

在压力测量的情况下,波纹管受到膨胀和收缩。波纹管的变化导致将磁性组件移动到霍尔效应元件的邻近。因此,输出电压与施加的压力成比例。

在温度测量的情况下,波纹管组件用具有已知热膨胀性能的气体密封。当腔室被加热时,波纹管内的气体被扩展。这导致从与温度成比例的传感器产生的电压。

温度或压力传感器

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