磁傳感器將磁或磁編碼信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便通過(guò)電子電路進(jìn)行處理。

 

 

磁傳感器是固態(tài)設(shè)備，它們變得越來(lái)越流行，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜谠S多不同類型的應(yīng)用，例如感測(cè)位置，速度或定向運(yùn)動(dòng)。它們也是電子設(shè)計(jì)人員的一種流行的傳感器選擇，因?yàn)樗鼈兙哂蟹墙佑|式無(wú)磨損操作，低維護(hù)，堅(jiān)固的設(shè)計(jì)以及密封的霍爾效應(yīng)設(shè)備，不受振動(dòng)，灰塵和水的影響。

 

磁傳感器的主要用途之一是用于感測(cè)位置，距離和速度的汽車系統(tǒng)。例如，曲柄軸的角度位置用于火花塞的點(diǎn)火角度，汽車座椅和用于安全氣囊控制的座椅安全帶的位置或用于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的車輪速度檢測(cè)（ABS）。

 

磁傳感器設(shè)計(jì)用于響應(yīng)各種不同應(yīng)用中的各種正負(fù)磁場(chǎng)，一種類型的磁傳感器，其輸出信號(hào)是其周圍磁場(chǎng)密度的函數(shù)，稱為霍爾效應(yīng)傳感器。

 

霍爾效應(yīng)傳感器是由外部磁場(chǎng)激活的設(shè)備。我們知道磁場(chǎng)有兩個(gè)重要特性：磁通密度，（B）和極性（北極和南極）?；魻栃?yīng)傳感器的輸出信號(hào)是器件周圍磁場(chǎng)密度的函數(shù)。當(dāng)傳感器周圍的磁通密度超過(guò)某個(gè)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器檢測(cè)到它并產(chǎn)生稱為霍爾電壓V H的輸出電壓。請(qǐng)看下圖。

 

霍爾效應(yīng)傳感器原理

 

 

霍爾效應(yīng)傳感器基本上由一塊薄的矩形p型半導(dǎo)體材料組成，例如砷化鎵（GaAs），銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs），它們通過(guò)自身連續(xù)的電流。當(dāng)器件放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通線在半導(dǎo)體材料上施加力，該力使電荷載流子，電子和空穴偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體板的任一側(cè)。電荷載流子的這種運(yùn)動(dòng)是它們經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體材料所經(jīng)受的磁力的結(jié)果。

 

當(dāng)這些電子和空穴移動(dòng)側(cè)邊時(shí)，通過(guò)這些電荷載流子的積累在半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間產(chǎn)生電位差。然后，電子通過(guò)半導(dǎo)體材料的運(yùn)動(dòng)受到與其成直角的外部磁場(chǎng)的影響，并且這種效果在扁平矩形材料中更大。

 

通過(guò)使用磁場(chǎng)產(chǎn)生可測(cè)量電壓的效果被稱為18世紀(jì)70年代后發(fā)現(xiàn)它的霍華德霍爾的霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)的基本物理原理是洛倫茲力。以產(chǎn)生跨越所述裝置的電勢(shì)差的磁通線必須垂直，（90 ø到的電流的流動(dòng)），并按照正確的極性，通常一個(gè)南極的。

 

霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類型和磁場(chǎng)大小的信息。例如，南極會(huì)導(dǎo)致器件產(chǎn)生電壓輸出，而北極則無(wú)效。通常，當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器和開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開(kāi)路狀態(tài)）。它們僅在經(jīng)受足夠強(qiáng)度和極性的磁場(chǎng)時(shí)才變?yōu)?ldquo;接通”，（閉路狀態(tài)）。

 

霍爾效應(yīng)磁傳感器

 

基本霍爾元件的輸出電壓（稱為霍爾電壓，（V H））與通過(guò)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度（輸出αH ）成正比 。這個(gè)輸出電壓可以非常小，即使受到強(qiáng)磁場(chǎng)也只有幾微伏，因此大多數(shù)商用霍爾效應(yīng)器件都是通過(guò)內(nèi)置直流放大器，邏輯開(kāi)關(guān)電路和穩(wěn)壓器制造的，以提高傳感器的靈敏度，滯后和輸出電壓。這也使霍爾效應(yīng)傳感器能夠在更廣泛的電源和磁場(chǎng)條件下工作。

 

霍爾效應(yīng)傳感器

 

 

霍爾效應(yīng)傳感器提供線性或數(shù)字輸出。線性（模擬）傳感器的輸出信號(hào)直接取自運(yùn)算放大器的輸出，輸出電壓與通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)成正比。該輸出霍爾電壓如下：

 

 

線性或模擬傳感器提供連續(xù)的電壓輸出，其隨著強(qiáng)磁場(chǎng)而增加，并且隨著弱磁場(chǎng)而減小。在線性輸出霍爾效應(yīng)傳感器中，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，放大器的輸出信號(hào)也會(huì)增加，直到它開(kāi)始飽和電源施加的限制。任何額外的磁場(chǎng)增加都不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響，但會(huì)使其更加飽和。

 

另一方面，數(shù)字輸出傳感器具有施密特觸發(fā)器，內(nèi)置滯后連接到運(yùn)算放大器。當(dāng)通過(guò)霍爾傳感器的磁通量超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，器件的輸出在其“關(guān)閉”狀態(tài)之間快速切換到“接通”狀態(tài)而沒(méi)有任何類型的接觸反彈。當(dāng)傳感器移入和移出磁場(chǎng)時(shí)，這種內(nèi)置滯后消除了輸出信號(hào)的任何振蕩。然后數(shù)字輸出傳感器只有兩種狀態(tài)，“ON”和“OFF”。

 

有兩種基本類型的數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器，雙極和單極。雙極傳感器需要一個(gè)正磁場(chǎng)（南極）來(lái)操作它們，一個(gè)負(fù)磁場(chǎng)（北極）釋放它們，而單極傳感器只需要一個(gè)磁性南極來(lái)操作和釋放它們進(jìn)出磁場(chǎng)領(lǐng)域。

 

大多數(shù)霍爾效應(yīng)器件不能直接切換大電氣負(fù)載，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲵?qū)動(dòng)能力非常小，大約10到20mA。對(duì)于大電流負(fù)載，將一個(gè)集電極開(kāi)路（電流吸收）NPN晶體管添加到輸出端。

 

該晶體管在其飽和區(qū)域內(nèi)作為NPN吸收開(kāi)關(guān)工作，只要施加的磁通密度高于“ON”預(yù)設(shè)點(diǎn)，就會(huì)使輸出端短接到地。

 

輸出開(kāi)關(guān)晶體管可以是開(kāi)放式發(fā)射極晶體管，開(kāi)路集電極晶體管配置或兩者都提供推挽輸出型配置，其可以吸收足夠的電流以直接驅(qū)動(dòng)許多負(fù)載，包括繼電器，電動(dòng)機(jī)，LED和燈。

 

霍爾效應(yīng)應(yīng)用

 

霍爾效應(yīng)傳感器由磁場(chǎng)激活，并且在許多應(yīng)用中，該裝置可以由連接到移動(dòng)軸或裝置的單個(gè)永磁體操作。有許多不同類型的磁鐵運(yùn)動(dòng)，例如“正面”，“側(cè)面”，“推拉”或“推 - 推”等感應(yīng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于每種類型的配置，為確保最大靈敏度，磁通線必須始終垂直于設(shè)備的感應(yīng)區(qū)域，并且必須具有正確的極性。

 

同樣為了確保線性，需要高磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁體，其對(duì)于所需的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大的場(chǎng)強(qiáng)變化。有運(yùn)動(dòng)的用于檢測(cè)磁場(chǎng)幾個(gè)可能的路徑，和下面是兩個(gè)使用單個(gè)磁體更常見(jiàn)的感測(cè)配置的：頭接通檢測(cè)和側(cè)身檢測(cè)。

 

正面檢測(cè)

 

 

顧名思義，“正面檢測(cè)”要求磁場(chǎng)垂直于霍爾效應(yīng)傳感裝置，并且為了檢測(cè)，它直接朝向活動(dòng)面接近傳感器。一種“正面”的方法。

 

這種正面接近方法產(chǎn)生輸出信號(hào)V H，其在線性裝置中表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁通密度，作為遠(yuǎn)離霍爾效應(yīng)傳感器的距離的函數(shù)。磁場(chǎng)越近，因此磁場(chǎng)越強(qiáng)，輸出電壓越大，反之亦然。

 

線性器件還可以區(qū)分正磁場(chǎng)和負(fù)磁場(chǎng)?？梢允狗蔷€性裝置在遠(yuǎn)離磁體的預(yù)設(shè)氣隙距離處觸發(fā)輸出“ON”以指示位置檢測(cè)。

 

側(cè)向檢測(cè)

 

 

第二傳感配置是“側(cè)向檢測(cè)”。這需要以橫向運(yùn)動(dòng)的方式將磁鐵移過(guò)霍爾元件的表面。

 

側(cè)向或滑動(dòng)通過(guò)檢測(cè)是用于檢測(cè)磁場(chǎng)的存在，因?yàn)樗七^(guò)霍爾元件的面例如固定的氣隙距離內(nèi)，計(jì)數(shù)旋轉(zhuǎn)磁體或電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是有用的。

 

取決于磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)傳感器的零場(chǎng)中心線時(shí)的位置，可以產(chǎn)生表示正輸出和負(fù)輸出的線性輸出電壓。這允許定向移動(dòng)檢測(cè)，其可以是垂直的也可以是水平的。

 

霍爾效應(yīng)傳感器有許多不同的應(yīng)用，尤其是接近傳感器。它們可以代替光學(xué)和光傳感器使用，環(huán)境條件包括水，振動(dòng)，污垢或油，例如汽車應(yīng)用?；魻栃?yīng)器件也可用于電流檢測(cè)。

 

當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生圓形電磁場(chǎng)。通過(guò)將霍爾傳感器放置在導(dǎo)體旁邊，可以從產(chǎn)生的磁場(chǎng)測(cè)量從幾毫安到數(shù)千安培的電流，而無(wú)需大型或昂貴的變壓器和線圈。

 

除了檢測(cè)磁鐵和磁場(chǎng)的存在與否，霍爾效應(yīng)傳感器還可以通過(guò)在設(shè)備的有效區(qū)域后面放置一個(gè)小的永久“偏置”磁鐵來(lái)檢測(cè)鐵磁材料，如鐵和鋼。傳感器現(xiàn)在處于永久和靜態(tài)磁場(chǎng)中，通過(guò)引入含鐵材料對(duì)該磁場(chǎng)的任何變化或干擾都將被檢測(cè)到，其靈敏度可能低至mV / G.

 

根據(jù)設(shè)備的類型，無(wú)論是數(shù)字還是線性，有許多不同的方法可將霍爾效應(yīng)傳感器連接到電氣和電子電路。一個(gè)非常簡(jiǎn)單且易于構(gòu)造的示例是使用如下所示的發(fā)光二極管。

 

位置檢測(cè)器

 

 

當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)，該正面位置檢測(cè)器將“關(guān)閉”（0高斯）。當(dāng)永磁體南極（正高斯）垂直向霍爾效應(yīng)傳感器的有效區(qū)域移動(dòng)時(shí)，器件變?yōu)?ldquo;ON”并點(diǎn)亮LED。一旦切換為“ON”，霍爾效應(yīng)傳感器就會(huì)保持“ON”狀態(tài)。

 

為了使設(shè)備和LED“關(guān)閉”，必須將磁場(chǎng)降低到單極傳感器的釋放點(diǎn)以下或暴露于雙極傳感器的磁北極（負(fù)高斯）。如果需要霍爾效應(yīng)傳感器的輸出來(lái)切換較大的電流負(fù)載，則可以用更大的功率晶體管代替LED 。

 

 

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