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一文讀懂各類霍爾傳感器的原理及實際應用
導讀:在電子時代,磁傳感器在電機、汽車工業(yè)、工業(yè)自動控制、機器人、樓宇辦公自動化、家用電器等諸多方面都有著廣泛的應用,如用于感測速度、運動和方向等。其中,霍爾效應傳感器的歷史最為悠久,也是目前最受歡迎的磁傳感器之一。
在霍爾效應中,垂直于電流流動方向的磁通量會產(chǎn)生可測量的電壓。
由于具備低成本、低功耗、占地面積小、距離感應、可靠性高、壽命長等諸多優(yōu)點,霍爾傳感器被應用于電機旋轉編碼計數(shù)、開關位置檢測、防篡改檢測等多功能性應用中。
霍爾效應和霍爾傳感器的原理
霍爾效應原理是Edwin Hall于1879年,在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)的。后來,還發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應,而半導體的霍爾效應比金屬強得多,利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,被廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等領域。
作為一種流行的磁傳感器技術,霍爾傳感器的原理是在向?qū)w施加垂直磁場時,在載流導體(通常稱為霍爾元件)中會產(chǎn)生差分電壓。電壓是由施加的磁場引起的洛倫茲力的結果,其導致電流電子集中在導體的一端,并在兩端之間產(chǎn)生電勢差。
具體來說,霍爾效應傳感器由一塊薄的矩形p型半導體材料組成,例如砷化鎵,銻化銦或砷化銦,它們通過自身連續(xù)的電流。當器件放置在磁場中時,磁通線在半導體材料上施加力,該力使電荷載流子,電子和空穴偏轉到半導體板的任一側。電荷載流子的這種運動是它們經(jīng)過半導體材料所經(jīng)受的磁力的結果。當這些電子和空穴移動側邊時,通過這些電荷載流子的積累在半導體材料的兩側之間產(chǎn)生差分電壓即電位差。
霍爾效應示意圖
上圖顯示了霍爾效應原理以及電流、電壓和磁場之間的關系。產(chǎn)生的電壓通常稱為霍爾電壓(VH)。當不存在磁場時,電流電子的分布是均勻的,這時VH是零。當施加磁場時,電流電子的分布受到干擾,并將導致與電流和施加的磁場的交叉積成比例的非零VH。電流通常是固定的,導致VH與施加的磁場之間的直接關系。
霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化,磁場越強,電壓越高,磁場越弱,電壓越低?;魻栯妷褐岛苄。ǔV挥袔讉€毫伏,但經(jīng)集成電路中的放大器放大,就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。
霍爾傳感器的分類及應用
按閾值和線性分類,霍爾傳感器可分為霍爾開關和線性霍爾傳感器兩類。
霍爾傳感器可用于檢測電機轉數(shù)、監(jiān)測電池供電的門鈴,以及煙霧探測器等應用中
01.霍爾開關
霍爾開關由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出級組成,輸出數(shù)字信號。它是一種基于閾值的霍爾效應傳感器,可作為一個開關,通過單個輸出(全極),兩個輸出(雙極單極),鎖存輸出(雙極)或一個極(單極)響應任一磁極。通常,如果場來自南極,則輸出電壓為正。如果場源是北極,則輸出電壓為負。
霍爾開關經(jīng)過一次磁場強度的變化,則完成了一次開關動作,輸出數(shù)字信號,因此可用于計算汽車或機器轉速、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機車的自動門開關、無刷直流電動機、汽車點火系統(tǒng)、門禁和防盜報警器、自動販賣機、打印機等。
在電動車窗系統(tǒng)中,霍爾傳感器的計數(shù)功能,對車窗開關到位情況起到了實時監(jiān)測作用,提高了汽車的舒適性和安全性
02.線性霍爾傳感器
線性霍爾效應傳感器,又稱為零磁通霍爾傳感器,因為輸出是比例信號,即模擬量,線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。
線性霍爾效應傳感器可響應磁極或一極,以提高器件靈敏度。此外,輸出可以是未調(diào)制的線性模擬電壓信號,或調(diào)制的具有變化的占空比的脈沖寬度調(diào)制PWM(脈寬寬度調(diào)制式)信號,以便在嘈雜環(huán)境中使用。
貯液池中的液位傳感應用:球形浮子,內(nèi)有按鈕磁鐵在流體表面漂浮,霍爾傳感器器件和接線在一個單獨的艙室中完全隔離 資料圖
由于有著很寬的磁場量測范圍,且能夠識別磁極,目前,線性霍爾傳感器主要用于電力機車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等,還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)測光伏匯流箱實時輸出電流的作用、電動機保護等。另外,線性霍爾傳感器還可用于測量位置和位移,如液位探測、水流探測等。
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