霍尔传感器原理

霍尔传感器原理

霍尔传感器属于磁传感器范畴。它能够探测磁场的存在及其变动，适用于众多涉及磁场的场景。这种传感器的工作原理基于霍尔效应开yun体育app官网网页登录入口，由霍尔元件及其配套电路构成，形成了一个集成的传感器系统。在工业制造、交通领域以及人们的日常生活中，霍尔传感器都展现出了极为广泛的应用。

一、霍尔效应霍尔元件 霍尔传感器

(一)霍尔效应

如图1中所示，当对半导体薄片的两端施加电流I时，同时在其垂直方向上施加磁感应强度为B的均匀磁场，此时，在电流与磁场垂直的平面上，会形成电势差为UH的霍尔电压。

它们之间的关系为

在公式中，d代表薄片的具体厚度，而k则被称作霍尔系数，其数值与构成薄片的原材料性质密切相关。

这种效应被称作霍尔效应，德国物理学家霍尔在1879年进行关于载流导体在磁场中受力特性的研究时首次发现了它。

(二)霍尔元件

霍尔效应揭示了半导体材料制成的元件被称为霍尔元件。这种元件对磁场反应灵敏，结构设计简便，体积小巧，频响范围宽广，输出电压变化幅度大，并且使用寿命较长。正因如此，它在测量、自动化、计算机以及信息技术等多个领域得到了广泛的应用。

(三)霍尔传感器

霍尔元件所产生的电压较低，因此通常将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路以及稳压电源电路等整合于同一芯片之中，这样的组合被称为霍尔传感器。

霍尔传感器亦称作霍尔集成电路，体积相对较小，如图2所示，图中展示了该型号的具体外观。

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。

线性型霍尔传感器是由霍尔元件、线性放大器以及射极跟随器三者结合构成的，其输出的信号为模拟信号。

该开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器以及输出级共同构成，其输出的信号为数字形式。

三、霍尔传感器的特性

(一)线性型霍尔传感器的特性

如图3所示，输出电压与外加磁场强度之间存在线性关联，其中B1至B2的磁感应强度区间展现出较佳的线性特征；然而，当磁感应强度超出该区间后，便会出现饱和现象。

(二)开关型霍尔传感器的特性

如图4中所示，BOP代表的是工作状态“开启”时的磁感应强度值，而BRP则指的是释放状态“关闭”时的磁感应强度数据。

一旦外加的磁感应强度超越动作点Bop，传感器便输出低电平信号；而当磁感应强度降至动作点Bop之下，传感器输出的电平保持不变；直至降至释放点BRP，传感器才会从低电平状态转变为高电平。Bop与BRP之间的这一滞后现象，确保了开关动作的可靠性。

此外，还有一种被称作“锁键型”或“锁存型”的开关式霍尔传感器，其具体特性可参考图5进行了解。

当磁感应强度突破动作点Bop阈值，传感器输出的电平将从高电平瞬间转变为低电平；在外部磁场被移除后，输出状态将维持原状，即进入锁存状态；此时，若要改变电平开元棋官方正版下载，则必须施加反向磁感应强度至BRP水平。

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。直接检测对象自身的磁场或磁性质，而另一种则是检测对象身上人为设定的磁场，这一磁场作为被检测信息的媒介，借助它，众多非电、非磁的物理量，诸如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态变化的时间等，得以转化为电学量，从而实现检测与控制。

(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

通电螺线管内部磁场存在，其强度与导线电流成正比关系。据此，通过霍尔传感器可以测量磁场强度，进而推断出导线中的电流值。基于此原理，霍尔电流传感器得以设计并制造。这种传感器的显著优势在于，它无需与被测电路直接接触，不会干扰电路运行，也不会消耗被测电源的电能，尤其适用于大电流的传感测量。

霍尔电流传感器的运作机制如图6所展示，其标准圆形铁芯上特意留有缝隙，将霍尔元件置入该缝隙内，圆环上布有线圈，电流流经线圈后便会产生磁场，进而触发霍尔元件产生信号输出。

2.位移测量

如图7所示，两块永久磁铁的相同极性相对排列，线性型霍尔传感器被放置在它们之间。在此位置，传感器的磁感应强度降为零，该位置便定义了位移的起点。当霍尔传感器沿着Z轴进行位移时，会产生一个电压信号，该电压值与位移量呈线性关系。

将拉力和压力等参数转换为位移，我们就能测定它们的具体数值，如图8所示，这正是力传感器所依据的原理设计而成。

开关型霍尔传感器主要应用于测量转速、转数、风速、流速，以及用于接近开关、门关闭提示装置、警报设备和自动控制电路等领域。

1.测转速或转数

如图9所示，于非磁性材料的圆盘边缘粘贴磁钢，霍尔传感器置于圆盘边缘附近，当圆盘完成一周旋转时，霍尔传感器将产生一个脉冲信号，通过此信号可以测定转数（即计数器数值），若连接频率计，则可进一步计算出转速。

在轨道上按照既定位置有序地安装开关型霍尔传感器，一旦搭载永磁体的移动车辆经过这些传感器，我们便能在测量电路中捕捉到一系列脉冲信号。通过分析这些脉冲信号的分布情况，我们能够准确测定车辆的运动速度。

2.各种实用电路

这种开关式的霍尔传感器体积小巧，适应的电压区间宽广，运行稳定，且成本较低，因而被广泛应用。以下将列举两个具体电路实例来具体阐述。

电路1 防盗报警器

如图10所示，首先将小磁铁稳固地安装在门边，接着将霍尔传感器固定于门框边缘，二者并排放置。在门关闭状态下，磁铁与霍尔传感器相接触，此时输出端3呈现低电平状态。一旦门遭受非法破坏，霍尔传感器的输出端3将变为高电平kaiyun全站网页版登录，导致非门输出端Y转为低电平。继电器J随即吸合，Ja触点闭合，蜂鸣器因此获得电源，进而发出警报声。

电路2 公共汽车门状态显示器

采用霍尔传感器，仅需额外配备一块微型永磁体，即可轻松制作出车门闭合状态的指示装置。以公交车为例，若其三门均需关闭，司机方可启动车辆。具体电路配置详见图11，其中三个门框上各安装有一只开关型霍尔传感器，每扇车门对应位置均固定有一块磁铁。车门开启时，磁铁与霍尔开关之间距离增大，导致输出端呈现高电平状态。若其中一门未妥善闭合，或非门将输出低电平信号，红灯随之点亮，以此提示尚有门未完全关闭；而若三门均已严密闭合，或非门则输出高电平信号，此时绿灯亮起，表明车门均已关严，司机可以安心驾驶。