霍尔传感器原理

霍尔传感器原理

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 。

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

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。

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。

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。

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。

(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。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、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，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。霍尔效应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的霍尔电压霍尔元件 霍尔传感器根据霍尔效应，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。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。编辑本段理论基础 霍尔传感器流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。（6）在 霍尔传感器大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1－10介绍的简易典型稳压电源。（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测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，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、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，转变成电量来进行检测和控制。霍尔传感器的特性（一）线性型霍尔传感器的特性 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[1]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。 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。 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。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。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。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。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。

单极霍尔开关电路 型号 工作电压VDD（V） 工作电流IDD（mA） 工作点Bop(GS) 释放点Brp(GS) 工作温度TA(℃) 封装

形式 典型应用 HAL202 4-20 3.5 180 60 -40-85 TO-92S 位置检测、转速检测 HAL3134 4.5-24 10 110 20 -40-150 TO-92S 舞台灯光、车速仪表、空调电机等 HAL3144E 3.8-30 4 250 230 -40-85 TO-92S 舞台灯光、车速仪表、空调电机等 HAL44E 3.5-24 5 80-160 30-110 -40-125 SOT-23 马达、无触点开关 HAL131 3.8-30 3.2 45 40 -40-125 TO-92S 霍尔接近开关传感器、转速探测 HAL43A 3.8-30 3.2 180 50 -40-150 TO-92S 速度和RPM传感器、转速计等 HAL43F 3.8-30 4.0 200 170 -40-150 TO-92S 速度和RPM传感器、转速计等 HAL58 3.5-24 2.5 180 137 -40-150 SOT-23 马达、无触点开关 HAL543 3.5-24 5 160 110 -40-150 SOT-89B 无触点开关、位置检测、转速计 AH3144E 4.5-24 10 110 20 -40-85 TO-92S 舞台灯光、车速仪表、空调电机等 AH3144L 4.5-24 10 110 20 -40-150 TO-92S 舞台灯光、车速仪表、空调电机等 AH543 4.5-24 10 200 30 -40-150 SOT-89 无触点开关、位置检测、转速计 A1101E3.8-247.530—17510—145-40—85TO-92无触点开关、位置检测、转速计 A1104E3.8-247.5205—355150—300-40—85TO-92无触点开关 EW-4504.5-18820050-20-115SOT-23单极开关应用EW-5504.5-18820050-20-115TO-92电机应用双极锁存型霍尔电路 型号 工作电压VDD（V） 工作电流IDD（mA） 工作点Bop(GS) 释放点Brp(GS) 工作温度TA(℃) 封装形式 典型应用 HAL41F 3.8-30 4 120 120 -40-150 TO-92S 直流无刷电机、转速检测 EW-5124.5-18860-60-30-115TO-92水流量计、热水器、无刷电机 EW-7322.2-18860-60-30-115TO-92水流量计、热水器、无刷电机 U183.5-24595-95-40-125TO-92水流量计、汽车里程表、无刷电机 SS40AF4.5-2410110-45-40-150TO-92直流无刷电机、转速检测 HAL732 2.5-24 2.5 18 -18 -40-150 SOT-23 高灵敏无触点开关、无刷电机 HAL1881 2.4-24 2.5 30 -30 -40-150 SOT-23 高灵敏无触点开关、无刷电机 HAL513 3.5-30 4 70 -70 -40-150 SOT-89 高灵敏无触点开关、无刷电机 AH512 4.5-24 10 60 -60 -40-125 TO-92 高灵敏无触点开关、无刷电机 微功耗全极性霍尔开关电路 型号 工作电压VDD（V） 工作电流IDD（MA） 工作点Bop(GS) 释放点Brp(GS) 工作温度TA(℃) 封装形式 典型应用 A32122.5-3.511-5510-1-40—85SOT-23

TO-92 低功耗数码产品 如：手机 YS49132.4- 5.5-1-4.55042-45—150SOT-23TO-92 移动电话笔记本电脑便携电子设备等YS92482.5-5.565520-40—85SOT-23TO-92 移动电话笔记本电脑便携电子设备等HAL13S2.4-5.5 0.009 55 25 -40-85 SOT-23 低功耗数码产品 如：手机 HAL148 2.4-5.5 0.005 45 32 -40-125 TO-92S 低功耗数码产品 如：电筒 HAL148L 1.8-3.5 0.005 45 32 -40-125 SOT-23 玩具 线性霍尔 型号 工作电压VDD（V） 磁场范围GS 输出电压VOT（V） 灵敏度S mv/G 工作温度TA(℃) 封装形式 典型应用 HW302B0.5-2+/-500 小122大2043.2-5.9 at 1V-40-110DIP-4电流传感器HW302C10+/-750 小55大751.3 at 6V-40-125DIP-4电流传感器、磁场检测HAL95A 4.5-10.5 +/-670 0.5-4.5 3.125 -40-150 TO-92S 角度探测 如：汽车油门 HAL49E 3.0-6.5 +/-100 0.8-4.25 1.4 -40-100 TO-92S 角度测量 如：电动车转把

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