霍尔传感器简介

霍尔传感器简介

引言：霍尔效应是新课标高中物理教材（人教版）选修3-1中的一个研究课题，霍尔元件在新课标高中物理教材（人教版）选修3-2第六章“传感器”中也有简略介绍。课本两处出现此内容，体现了新课标的理念，即关注现代科技、联系生产实际，同时也是为了拓宽学生知识面、增强学生的创新设计能力和激发学生的兴趣。为了便于大家在教学中了解更为细致的内容，笔者查阅了相关资料，现将有关内容整理出来，供各位同行参考。

摘要：本文简略介绍霍尔传感器的工作原理、分类及其简单应用。

关键词：霍尔效应 霍尔元件 霍尔传感器分类 特性 应用

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U_H的霍尔电压，

它们之间的关系为 。

　　式中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B_OP为工作点“开”的磁感应强度，B_RP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B_op时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点B_op以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点B_RP时，传感器才由低电平跃变为高电平。B_op与B_RP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B_op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B_RP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。

　　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

　　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，J_a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

　　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。

参考文献：

[1]成辉．传感器的理论与设计基础及其应用．北京：国防工业出版社，1999

[2]霍尔传感器及应用电路．北京电子报1994合订本P．381