霍尔传感器

　　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。

　　原理

　　由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。

　　对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流Ic固定时，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。

　　一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。

　　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。

　　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。

　　分类

　　霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

　　（一）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。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。

　　（二）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。

　　线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。.

　　开关型

　　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。

　　锁键型

　　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。

　　线性型

　　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。

　　开环式电流传感器

　　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。

　　闭环式电流传感器

　　磁平衡式电流传感器也叫霍尔闭环电流传感器，也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿， 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

　　磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上， 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。 这一电流再通过多匝绕组产生磁场 ，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场， 使霍尔器件的输

　　出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘 所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。 一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。

　　霍尔电流传感器具有以下优点：

　　1、 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波；

　　2、 原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离；

　　3、精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量；

　　4、线性度好：优于0.1%；

　　5、宽带宽：高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs；

　　6、测量范围：霍尔传感器为系列产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。

　　7、过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时，模块也不会损坏。

　　霍尔电流传感器使用时，需遵循以下注意事项：

　　1、为了得到较好的动态特性和灵敏度，必须注意原边线圈和副边线圈的耦合，要耦合得好，最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径。

　　2、使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源|稳压器或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度（故使用时要先接通电源和测量端M），发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。

　　3、霍尔传感器都具有较强的抗外磁场干扰能力，但是，为了获得较高的测量准确度，当有较强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有：

　　调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小；

　　在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩。

　　4、测量的最佳精度是在额定值下得到的，当被测电流远低于额定值时，要获得最佳精度，原边可使用多匝，但是，需要注意导线的空间位置（参照第一条）。

　　应用

　　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。

　　位移测量

　　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。

　　力测量

　　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，按这一原理可制成的力传感器。

　　角速度测量

　　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。

　　线速度测量

　　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。

　　注意事项 

　　（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。

　　案例

　　霍尔传感器技术应用于汽车工业

　　霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式传感器三种形式。[1]

　　霍尔传感器可以采用金属和半导体等制成，效应质量的改变取决于导体的材料，材料会直接影响流过传感器的正离子和电子。制造霍尔元件时，汽车工业通常使用三种半导体材料，即砷化镓、锑化铟以及砷化铟。最常用的半导体材料当属砷化铟。

　　霍尔传感器的形式决定了放大电路的不同，其输出要适应所控制的装置。这个输出可能是模拟式，如加速位置传感器或节气门位置传感器，也可能是数字式。如曲轴或凸轮轴位置传感器。

　　当霍尔元件用于模拟式传感器时，这个传感器可以用于空调系统中的温度表或动力控制系统中的节气门位置传感器。霍尔元件与微分放大器连接，放大器与NPN晶体管连接。磁铁固定在旋转轴上，轴在旋转时，霍尔元件上的磁场加强。其产生的霍尔电压与磁场强度成比例。

　　当霍尔元件用于数字信号时，例如曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器或车速传感器，必须首先改变电路。霍尔元件与微分放大器连接，微分放大器与施密特触发器连接。在这种配置中。传感器输出一个开或关的信号。在多数汽车电路中，霍尔传感器是电流吸收器或者使信号电路接地。要完成这项工作，需要一个NPN晶体管与施密特触发器的输出连接。磁场穿过霍尔元件，一个触发器轮上的叶片在磁场和霍尔元件之间通过。