1.6 霍尔效应传感器

在众多的感测技术中，霍尔效应方法是检测磁场最为常用且广泛的方法。基于霍尔效应，存在大量用于感测接近度、速度、电流和位置的霍尔效应传感器或换能器，它们被广泛应用于各种领域。

这是因为可以在同一硅片上构建霍尔效应传感器以及辅助信号处理电路，集成到集成电路（IC）中。

由于具有体积小、坚固耐用、易于使用以及成本低廉等优点，集成化的霍尔效应传感器被广泛应用于许多磁场测量领域。

这些霍尔效应换能器的应用领域包括：在工业控制中作为编码器、速度传感器和行程终端传感器；在计算机中作为磁盘驱动器索引传感器以及无刷风扇的换向装置；在汽车中作为防抱死制动系统（ABS）和点火定时装置；在消费类设备中作为健身器材等。

霍尔效应原理

霍尔效应是由 Edwin Hall 在 1879 年在约翰·霍普金斯大学实验发现的。当时由于实验条件的限制，从材料中获得的电压非常低（微伏级别），因此霍尔效应在实验室之外的应用非常有限。直到半导体材料的发展，才使得高质量的霍尔效应传感器得以制造，从而实现了霍尔效应在实际应用中的广泛使用。

霍尔效应是指在磁场中放置一个通电导体时，在导体的两侧会产生一个电压。当电流通过磁场中的导体时，会在导体中产生一个与磁场和电流方向都垂直的电势差，其大小与电流和磁场成正比。这一现象被称为霍尔效应，是许多磁场测量仪器和设备的基础。

考虑一个简单的实验装置，如图所示。一块导电材料或板材通过电池供电，使得电流 $I$ 通过它。一个伏特表的探针连接到板材的两侧，使得在没有磁场的情况下测量的电压为零。

当在板材上施加一个与电流方向垂直的磁场时，导体中会出现一个小电压。这个力作用于电流，将电流推向导线或导体的一侧，从而在导体上产生电势差。

如果磁场的极性反转，那么在板材上感应的电压也会反转。这种现象就是霍尔效应。

霍尔效应基于外部磁场与运动电荷载流子之间的相互作用。运动电子在磁场中受到的侧向力为：

$F = qvB$

其中 $B$ 是磁通密度，$v$ 是电子的速度，$q$ 是电子的电荷。如图所示，磁场使电荷的运动发生偏转。一块扁平的导电条放置在磁场中，条的左右两侧的额外接触点连接到伏特表上。

条的上下端连接到电源。由于磁场的作用，运动的电子被偏转力推向条的右侧。这使得条的右侧比左侧更负，从而产生电势差。

这个电压被称为霍尔电压，其大小和方向取决于电流和磁场的大小和方向。霍尔电压的表达式为：

$V_H = HIB \sin \alpha$

其中 $H$ 是总体灵敏度系数，取决于板材材料、温度及其几何形状；$\alpha$ 是磁场向量与霍尔板之间的夹角；$I$ 是电流密度。

总体灵敏度取决于霍尔系数，即单位电流密度和单位磁场强度下的横向电势梯度。因此，霍尔系数为：

$H = \frac{1}{Ncq}$

其中 $c$ 是光速，$N$ 是单位体积内的电子数。

霍尔效应传感器

大多数传感器利用霍尔效应来检测磁场的存在，这类传感器被称为霍尔效应传感器。霍尔效应传感器的基本元件是霍尔元件。这些传感器通常被封装在一个四端子外壳中，其中两个端子是控制端子，另外两个是差分输出端子。

控制电流通过控制端子施加，而输出则在差分输出端子上观察。一个基本的霍尔效应传感器将磁场转换为电信号。一个磁系统将物理量（如位置、速度、电流、温度等）转换为磁场，然后由霍尔效应传感器检测。

霍尔效应传感器主要分为两类：基本传感器和集成传感器。霍尔系数和有源元件的电流密度是制造霍尔效应传感器时需要考虑的两个重要参数，以产生高输出电压。因此，高霍尔系数和低电阻是霍尔元件的两个重要要求。用于制造这些传感器元件的材料包括 InSb、Ge、InAs 和 GaAs 等。

霍尔效应集成电路（IC）传感器

将集成电路技术与霍尔效应原理相结合，可以制造出霍尔效应 IC 开关。与光电或电感传感器相比，霍尔效应 IC 更有效、成本更低且效率更高。

这种传感器是一个单一的集成电路芯片，上面集成了各种组件，如信号放大器、霍尔电压发生器和施密特触发器电路。这些 IC 可以检测铁磁材料、永磁体或电磁铁的磁场强度变化，以及施加的磁场偏置。

这些 IC 广泛应用于对齐控制、速度控制、点火系统、机械限位开关、机床、计算机、键盘、按钮、安全系统等领域。

霍尔效应 IC 传感器采用硅 CMOS 技术制造，有多种配置。如图所示，这是一个 4 引脚封装的霍尔效应传感器 IC。在总共 4 个引脚中，2 个引脚连接到恒定电压源，另外两个引脚连接到伏特表。

连接的布置如图所示。当没有磁场时，测量的跨片电压可以忽略不计。

当在偏置霍尔效应传感器上施加磁场，使得磁通线与通过霍尔元件的电流成直角时，霍尔 IC 的输出端子上会产生一个与磁场强度成正比的电压。

霍尔效应传感器的类型

霍尔效应传感器需要一个信号调理电路，以使其输出适用于许多其他应用。这种信号调理电路执行放大、电压调节、温度补偿、线性化等功能。主要有两种类型的霍尔效应传感器，即模拟传感器和双稳态传感器。

模拟霍尔效应传感器

这些传感器在更宽的电压范围内工作，并且与基本霍尔传感器相比，在嘈杂的环境中更稳定。如图所示，模拟输出霍尔效应设备产生与它所暴露的磁场成正比的模拟电压。

放大器提供了一个偏置或固定偏移量，以便在没有磁场时，该偏置电压出现在输出端，这被认为是零电压。霍尔元件上的磁场可以是正的或负的。

因此，当感应到正磁场时，输出电压会高于零值，而当感应到负磁场时，输出电压会低于零值。

这些传感器的输出电压在电源限制的范围内，因此在达到电源限制之前，放大器会开始饱和，如图所示。

需要注意的是，饱和发生在放大器中，而不是霍尔元件中，因此较大的磁场不会损坏霍尔效应传感器。

此外，这些传感器与磁场的关系并不完全线性，因此需要进行适当的校准以进行高精度测量。此外，通过在差分放大器的输出端添加推挽晶体管、开路集电极或开路发射极，可以增加设备的接口灵活性。

数字输出霍尔效应传感器

这些传感器的输出有两个电平：开或关。这些传感器也被称为双稳态传感器。此外，放大器包含一个具有内置阈值电平滞回的施密特触发器。这种施密特触发器配置通过将差分放大器的输出与固定参考值进行比较，将模拟信号转换为数字输出。

因此，当差分放大器的输出超过参考值或预设值时，施密特触发器打开，而当其低于参考值时，施密特触发器关闭。

如图所示，作为磁场函数的双电平输出信号。在这种情况下，滞回通过引入一个死区来消除不必要的振荡，在这个区域内，参考值或预设值通过后，动作被禁用。

霍尔效应传感器的应用

根据应用的不同，霍尔效应传感器被设计成各种配置。这些传感器是工业过程控制、生物医学、汽车、电信、自动取款机等领域的广泛应用的测量设备。

这些传感器被广泛用作位置传感器、液位测量、限位开关和流量测量。一些基于霍尔效应的设备包括霍尔效应电流传感器、霍尔效应叶片开关和霍尔效应磁场强度传感器。以下描述了一些霍尔效应传感器的应用。

位置传感器

霍尔效应传感器用于检测滑动运动。在这种类型的传感器中，霍尔元件和磁铁之间有一个严格控制的间隙，如图所示。

当磁铁在固定间隙内来回移动时，感应的磁场会变化。当元件接近北极时，磁场为负，而接近南极时为正。

这些传感器也被称为接近传感器，用于精确定位。如图所示，四个数字输出双极传感器被拧入铝制外壳中，并由安装在杆上的一个磁铁激活。

当磁铁在可接受的尺寸范围内移动时，这些传感器会产生信号。从参考表面开始，这些信号代表测量的距离。这种类型的布置也被称为多位置传感。这种应用的一个典型例子是检测照片处理设备的各种镜头位置。

流量测量

如图所示，霍尔效应传感器用于流量测量。腔室设有流体入口和出口，流体从中通过。一个带有螺纹轴的弹簧加载桨叶使磁铁组件来回移动。

随着流体流速的增加，弹簧加载的桨叶转动螺纹轴。因此，磁铁组件随着轴的转动而向上移动，从而使传感器被激活。

当流速降低时，弹簧线圈会使磁性组件向下移动。因此，传感器的输出会减小。整个装置经过校准，使得测量的电压与流速之间存在线性关系。

液位测量

在此方法中，霍尔效应传感器被用于确定浮标的高度，从而测量储罐中的液体水平。下图展示了一个储罐中浮标和霍尔效应元件或传感器集成电路的布置。浮标连接有一个磁铁，其动作会改变磁场距离，使磁场距离霍尔元件更近或更远。

随着液体水平的上升，磁铁靠近传感器，因此输出电压增加；而当液体水平下降时，该电压减小。因此，该系统提供了一种简单的液位测量方式，无需在储罐内部进行任何电气连接。

转速传感器

转速或每分钟转数（RPM）的感应是霍尔效应传感器最常见的应用。在转速感应中，霍尔效应传感器被固定放置，使其面对旋转的磁铁。这个旋转的磁铁产生用于驱动传感器或霍尔元件所需的磁场。

旋转磁铁的布置方式可以根据应用的便利性而有所不同。其中一些布置方式包括在轴或轮毂上安装单独的磁铁，或者使用环形磁铁。每当霍尔传感器面对磁铁时，它都会输出脉冲。

进一步地，这些脉冲由处理器控制，以确定并显示转速（以RPM为单位）。这些传感器可以是数字式或线性模拟输出传感器。

无刷直流电机传感器

无刷直流电机的功率分配由电子换向控制，而不是机械换向。三个数字双极霍尔效应传感器被放置在定子的一端，靠近转子的极面，以执行电子换向。

为了操作这些传感器，在转子轴上安装了永磁材料。这些传感器测量旋转磁铁的位置，从而确定何时应将电流施加到电机绕组，以使磁铁朝正确的方向旋转。

霍尔效应传感器感应到的信息被送入逻辑电路，该电路进一步对这些信息进行编码，并控制驱动电路。由于具有更大的灵活性，霍尔效应传感器提供的这种反馈机制被用于许多无刷直流电机控制应用中，以测量转子的速度和位置。

电流传感器

霍尔效应电流传感器用于测量交流和直流电流。通过使用线性模拟霍尔效应传感器，可以测量从250毫安到数千安培的电流。

这种隔离的模拟输出电压进一步被数字化、电平移位，并通过添加放大器进行温度补偿。

载流导体总是被磁场包围，因此将线性霍尔效应传感器放置在该磁场附近时，传感器的输出端会形成一个电压，如图所示。这个电压与导体周围的磁场强度成正比。

通过将霍尔效应传感器与电磁铁结合使用，可以获得一种更灵敏且非常高效的隔离电流传感装置。这种装置包括一个带有霍尔效应集成电路传感器的开槽铁氧体环形磁芯，传感器被放置在磁芯的间隙中。

传感器被磁芯包围，因此磁芯作为一个磁通量集中器，将感应到的磁场聚焦到放置霍尔元件的位置，如图所示。

通过改变磁芯上的绕组数量，可以使用这种传感器测量从几安培到数千安培的电流。霍尔效应传感器的输出电压与流经绕组的电流成正比，因此可以进行电流测量。

温度或压力传感器

霍尔效应传感器还可以用作压力和温度传感器。这些传感器配备有适当的磁铁和受压力偏转的膜片。波纹管的磁性组件会靠近或远离霍尔效应元件进行动作。

在压力测量的情况下，波纹管会受到膨胀和收缩的影响。波纹管的变化会使磁性组件靠近霍尔效应元件。因此，产生的输出电压与所施加的压力成正比。

在温度测量的情况下，波纹管组件被密封有一种具有已知热膨胀特性的气体。当波纹管内部的气体因加热而膨胀时，传感器会产生一个与温度成正比的电压。