磁傳感器將磁或磁編碼信息轉換為電信號，以便通過(guò)電子電路進(jìn)行處理。

 

 

磁傳感器是固態(tài)設備，它們變得越來(lái)越流行，因為它們可以用于許多不同類(lèi)型的應用，例如感測位置，速度或定向運動(dòng)。它們也是電子設計人員的一種流行的傳感器選擇，因為它們具有非接觸式無(wú)磨損操作，低維護，堅固的設計以及密封的霍爾效應設備，不受振動(dòng)，灰塵和水的影響。

 

磁傳感器的主要用途之一是用于感測位置，距離和速度的汽車(chē)系統。例如，曲柄軸的角度位置用于火花塞的點(diǎn)火角度，汽車(chē)座椅和用于安全氣囊控制的座椅安全帶的位置或用于防抱死制動(dòng)系統的車(chē)輪速度檢測（ABS）。

 

磁傳感器設計用于響應各種不同應用中的各種正負磁場(chǎng)，一種類(lèi)型的磁傳感器，其輸出信號是其周?chē)艌?chǎng)密度的函數，稱(chēng)為霍爾效應傳感器。

 

霍爾效應傳感器是由外部磁場(chǎng)激活的設備。我們知道磁場(chǎng)有兩個(gè)重要特性：磁通密度，（B）和極性（北極和南極）?；魻栃獋鞲衅鞯妮敵鲂盘柺瞧骷?chē)艌?chǎng)密度的函數。當傳感器周?chē)拇磐芏瘸^(guò)某個(gè)預設閾值時(shí)，傳感器檢測到它并產(chǎn)生稱(chēng)為霍爾電壓V H的輸出電壓。請看下圖。

 

霍爾效應傳感器原理

 

 

霍爾效應傳感器基本上由一塊薄的矩形p型半導體材料組成，例如砷化鎵（GaAs），銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs），它們通過(guò)自身連續的電流。當器件放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通線(xiàn)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(dòng)是它們經(jīng)過(guò)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(dòng)側邊時(shí)，通過(guò)這些電荷載流子的積累在半導體材料的兩側之間產(chǎn)生電位差。然后，電子通過(guò)半導體材料的運動(dòng)受到與其成直角的外部磁場(chǎng)的影響，并且這種效果在扁平矩形材料中更大。

 

通過(guò)使用磁場(chǎng)產(chǎn)生可測量電壓的效果被稱(chēng)為18世紀70年代后發(fā)現它的霍華德霍爾的霍爾效應，霍爾效應的基本物理原理是洛倫茲力。以產(chǎn)生跨越所述裝置的電勢差的磁通線(xiàn)必須垂直，（90 ø到的電流的流動(dòng)），并按照正確的極性，通常一個(gè)南極的。

 

霍爾效應提供有關(guān)磁極類(lèi)型和磁場(chǎng)大小的信息。例如，南極會(huì )導致器件產(chǎn)生電壓輸出，而北極則無(wú)效。通常，當沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)，霍爾效應傳感器和開(kāi)關(guān)被設計為處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開(kāi)路狀態(tài)）。它們僅在經(jīng)受足夠強度和極性的磁場(chǎng)時(shí)才變?yōu)?ldquo;接通”，（閉路狀態(tài)）。

 

霍爾效應磁傳感器

 

基本霍爾元件的輸出電壓（稱(chēng)為霍爾電壓，（V H））與通過(guò)半導體材料的磁場(chǎng)強度（輸出αH ）成正比 。這個(gè)輸出電壓可以非常小，即使受到強磁場(chǎng)也只有幾微伏，因此大多數商用霍爾效應器件都是通過(guò)內置直流放大器，邏輯開(kāi)關(guān)電路和穩壓器制造的，以提高傳感器的靈敏度，滯后和輸出電壓。這也使霍爾效應傳感器能夠在更廣泛的電源和磁場(chǎng)條件下工作。

 

霍爾效應傳感器

 

 

霍爾效應傳感器提供線(xiàn)性或數字輸出。線(xiàn)性（模擬）傳感器的輸出信號直接取自運算放大器的輸出，輸出電壓與通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)成正比。該輸出霍爾電壓如下：

 

 

線(xiàn)性或模擬傳感器提供連續的電壓輸出，其隨著(zhù)強磁場(chǎng)而增加，并且隨著(zhù)弱磁場(chǎng)而減小。在線(xiàn)性輸出霍爾效應傳感器中，隨著(zhù)磁場(chǎng)強度的增加，放大器的輸出信號也會(huì )增加，直到它開(kāi)始飽和電源施加的限制。任何額外的磁場(chǎng)增加都不會(huì )對輸出產(chǎn)生影響，但會(huì )使其更加飽和。

 

另一方面，數字輸出傳感器具有施密特觸發(fā)器，內置滯后連接到運算放大器。當通過(guò)霍爾傳感器的磁通量超過(guò)預設值時(shí)，器件的輸出在其“關(guān)閉”狀態(tài)之間快速切換到“接通”狀態(tài)而沒(méi)有任何類(lèi)型的接觸反彈。當傳感器移入和移出磁場(chǎng)時(shí)，這種內置滯后消除了輸出信號的任何振蕩。然后數字輸出傳感器只有兩種狀態(tài)，“ON”和“OFF”。

 

有兩種基本類(lèi)型的數字霍爾效應傳感器，雙極和單極。雙極傳感器需要一個(gè)正磁場(chǎng)（南極）來(lái)操作它們，一個(gè)負磁場(chǎng)（北極）釋放它們，而單極傳感器只需要一個(gè)磁性南極來(lái)操作和釋放它們進(jìn)出磁場(chǎng)領(lǐng)域。

 

大多數霍爾效應器件不能直接切換大電氣負載，因為它們的輸出驅動(dòng)能力非常小，大約10到20mA。對于大電流負載，將一個(gè)集電極開(kāi)路（電流吸收）NPN晶體管添加到輸出端。

 

該晶體管在其飽和區域內作為NPN吸收開(kāi)關(guān)工作，只要施加的磁通密度高于“ON”預設點(diǎn)，就會(huì )使輸出端短接到地。

 

輸出開(kāi)關(guān)晶體管可以是開(kāi)放式發(fā)射極晶體管，開(kāi)路集電極晶體管配置或兩者都提供推挽輸出型配置，其可以吸收足夠的電流以直接驅動(dòng)許多負載，包括繼電器，電動(dòng)機，LED和燈。

 

霍爾效應應用

 

霍爾效應傳感器由磁場(chǎng)激活，并且在許多應用中，該裝置可以由連接到移動(dòng)軸或裝置的單個(gè)永磁體操作。有許多不同類(lèi)型的磁鐵運動(dòng)，例如“正面”，“側面”，“推拉”或“推 - 推”等感應運動(dòng)。對于每種類(lèi)型的配置，為確保最大靈敏度，磁通線(xiàn)必須始終垂直于設備的感應區域，并且必須具有正確的極性。

 

同樣為了確保線(xiàn)性，需要高磁場(chǎng)強度的磁體，其對于所需的運動(dòng)產(chǎn)生大的場(chǎng)強變化。有運動(dòng)的用于檢測磁場(chǎng)幾個(gè)可能的路徑，和下面是兩個(gè)使用單個(gè)磁體更常見(jiàn)的感測配置的：頭接通檢測和側身檢測。

 

正面檢測

 

 

顧名思義，“正面檢測”要求磁場(chǎng)垂直于霍爾效應傳感裝置，并且為了檢測，它直接朝向活動(dòng)面接近傳感器。一種“正面”的方法。

 

這種正面接近方法產(chǎn)生輸出信號V H，其在線(xiàn)性裝置中表示磁場(chǎng)強度，磁通密度，作為遠離霍爾效應傳感器的距離的函數。磁場(chǎng)越近，因此磁場(chǎng)越強，輸出電壓越大，反之亦然。

 

線(xiàn)性器件還可以區分正磁場(chǎng)和負磁場(chǎng)?？梢允狗蔷€(xiàn)性裝置在遠離磁體的預設氣隙距離處觸發(fā)輸出“ON”以指示位置檢測。

 

側向檢測

 

 

第二傳感配置是“側向檢測”。這需要以橫向運動(dòng)的方式將磁鐵移過(guò)霍爾元件的表面。

 

側向或滑動(dòng)通過(guò)檢測是用于檢測磁場(chǎng)的存在，因為它移過(guò)霍爾元件的面例如固定的氣隙距離內，計數旋轉磁體或電動(dòng)機的旋轉速度是有用的。

 

取決于磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)傳感器的零場(chǎng)中心線(xiàn)時(shí)的位置，可以產(chǎn)生表示正輸出和負輸出的線(xiàn)性輸出電壓。這允許定向移動(dòng)檢測，其可以是垂直的也可以是水平的。

 

霍爾效應傳感器有許多不同的應用，尤其是接近傳感器。它們可以代替光學(xué)和光傳感器使用，環(huán)境條件包括水，振動(dòng)，污垢或油，例如汽車(chē)應用?；魻栃骷部捎糜陔娏鳈z測。

 

當電流通過(guò)導體時(shí)，會(huì )在其周?chē)a(chǎn)生圓形電磁場(chǎng)。通過(guò)將霍爾傳感器放置在導體旁邊，可以從產(chǎn)生的磁場(chǎng)測量從幾毫安到數千安培的電流，而無(wú)需大型或昂貴的變壓器和線(xiàn)圈。

 

除了檢測磁鐵和磁場(chǎng)的存在與否，霍爾效應傳感器還可以通過(guò)在設備的有效區域后面放置一個(gè)小的永久“偏置”磁鐵來(lái)檢測鐵磁材料，如鐵和鋼。傳感器現在處于永久和靜態(tài)磁場(chǎng)中，通過(guò)引入含鐵材料對該磁場(chǎng)的任何變化或干擾都將被檢測到，其靈敏度可能低至mV / G.

 

根據設備的類(lèi)型，無(wú)論是數字還是線(xiàn)性，有許多不同的方法可將霍爾效應傳感器連接到電氣和電子電路。一個(gè)非常簡(jiǎn)單且易于構造的示例是使用如下所示的發(fā)光二極管。

 

位置檢測器

 

 

當沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)，該正面位置檢測器將“關(guān)閉”（0高斯）。當永磁體南極（正高斯）垂直向霍爾效應傳感器的有效區域移動(dòng)時(shí)，器件變?yōu)?ldquo;ON”并點(diǎn)亮LED。一旦切換為“ON”，霍爾效應傳感器就會(huì )保持“ON”狀態(tài)。

 

為了使設備和LED“關(guān)閉”，必須將磁場(chǎng)降低到單極傳感器的釋放點(diǎn)以下或暴露于雙極傳感器的磁北極（負高斯）。如果需要霍爾效應傳感器的輸出來(lái)切換較大的電流負載，則可以用更大的功率晶體管代替LED 。

 

 

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