霍尔效应传感器

在各种传感技术中,最常用、最广泛的磁场检测方法是霍尔效应法。基于霍尔效应,有许多霍尔效应传感器或传感器在广泛的应用中发现,最常用来感应接近,速度,电流和位置。

这是因为可以在集成电路(Ic)上构建霍尔效应传感器,并在同一个硅晶片上构建辅助信号处理电路。

由于体积小、坚固耐用、易于使用和成本低廉等优点,集成霍尔效应传感器是许多磁测量应用的首选。

这些霍尔效应传感器的一些应用领域是;在工业控制中作为编码器、速度传感器和末端行程传感器,在计算机中作为磁盘驱动器指数传感器和无刷风扇换向器,在汽车中作为防抱死制动系统(ABS)和点火定时,在消费设备中作为运动设备,等等。

霍尔效应传感器
霍尔效应传感器

霍尔效应理论

大厅效应是由Edwin Hall在1879年在John Hopkins大学发现的。随着当时可用的仪器,从实验的微妙性质,从材料获得的电压极低(按微伏的顺序)。

因此,在实验室之外的霍尔效应中没有任何用途,直到才能发展合适的材料。半导体材料的开发产生高质量换能器的制造,用于霍尔效应的实际应用。

霍尔效应是在磁场中放置载流导体的相反边缘上产生电压。

当电流通过置于磁场中的导体时,导体上产生与磁场垂直的电位差,电流及其大小与电流和磁场成正比。

这就是所谓的霍尔效应,它是许多磁场测量仪器和设备的基础。

考虑简单的设置以说明下面显示的霍尔效果。电池供应导电材料或板,使得电流电流流过它。电压表的一对探针连接到平板的侧面,使得在没有磁场的情况下测量的电压为零。

当磁场作用于磁极使其与电流成直角时,导体中的电流分布就会出现一个小的电压。这个力作用于电流,并将电流聚集到导线或导体的一侧,从而在导体上产生电位差。

如果磁场的极性相反,则感应电压在平板上也相反。这种现象就是霍尔效应。

霍尔效应理论

霍尔效应是外部磁场与运动载流子相互作用的结果。通过磁场作用于移动电子的侧力为

F =维多利亚

式中,B为磁通量密度,v为电子速度,q为电子电荷。考虑上图,磁场使电荷运动偏转。将一扁平导电条置于磁场中,其左右两侧的附加触点连接到电压表。

带钢的上、下端子连接电源。由于磁通量的存在,移动的电子在偏转力的作用下向条带的右侧移动。结果是右边比左边负得多,因此存在电位差。

这种电压叫做霍尔电压,它的大小和方向取决于电流和磁场的大小和方向。霍尔电压为

V.H= HIB sinα

式中h为整体灵敏度系数,该系数与霍尔板的材料、温度及其几何形状有关,α为磁场矢量与霍尔板的夹角,I为电流密度。

整体灵敏度取决于霍尔系数,这是每单位磁场强度每单位电流密度的横向电势梯度。因此,霍尔系数被给出

H = 1/ Ncq

其中c是光速,N是单位体积中的电子数。

采用霍尔传感器

大多数传感器使用霍尔效应来感知磁场的存在,这种传感器被称为霍尔效应传感器。磁传感器的基本元件是霍尔元件。这些传感器通常封装在一个四端外壳中,其中两个端子是控制端子,另外两个是差分输出端子。

控制电流应用于控制端子,而输出在差分输出端子观察到。一个基本的霍尔效应传感器将磁场转换为电信号。

磁系统将位置、速度、电流、温度等物理量转换为磁场,进而被霍尔效应传感器感知。

基本霍尔效应传感器

霍尔效应传感器由硅材料制成,主要分为基本传感器和集成传感器两种类型。霍尔系数和有源元件电流密度是制造高输出电压霍尔效应传感器时需要考虑的两个重要参数。

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一些材料包括InSb、Ge、InAs和GaAs。

霍尔效应集成电路(IC)传感器

综合技术与霍尔效应原则相结合,以生产霍尔效应IC开关。与光电或电感传感器相比,霍尔效应IC更有效,更昂贵,更高效。

这种传感器是一种单集成电路芯片,在其上构建了信号放大器、霍尔电压发生器和施密特触发电路等各种组件。这些集成电路检测铁磁材料、永磁体或施加磁偏的电磁铁的磁场强度的变化。

这些集成电路用于各种应用,如校准控制,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。

霍尔效应集成电路(IC)传感器

这些集成电路采用不同配置的硅- cmos技术制造。上图为4引脚封装的霍尔效应传感器IC。在总共4个引脚中,2个引脚连接到恒压源,另外2个引脚连接到电压表。

连接的布置如下图所示。当不存在磁场时,片材两端的测量电压可忽略不计。

当磁场应用于偏向采用霍尔传感器的磁通线是直角的电流通过大厅——元素,然后输出终端的电压产生霍尔IC级与磁场强度成正比。

霍尔效应传感器IC连接

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,使其输出可用于许多其他应用。该信号状态电路实现了信号放大、电压调节、温度补偿、线性度等功能。霍尔效应传感器主要有模拟传感器和双电平传感器两种类型。

模拟采用霍尔传感器

与基本的霍尔传感器相比,这些传感器可以在更宽的电压范围内工作,并且在嘈杂的环境中也很稳定。下图显示了模拟输出霍尔效应装置,它产生的模拟电压与它暴露的磁场成比例。

放大器具有偏置或固定偏置,因此当磁场不存在时,偏置电压出现在输出端,被认为是零电压。磁场在霍尔元处可以是正的,也可以是负的。

因此,当感测到正磁场时测量正磁场时输出电压在空值上方增加,同时当感测到负磁场时的空值低于空值。

利用这些传感器,输出电压在通过电源施加的限制范围内,因此在达到电源限制之前,放大器将开始饱和,如图所示。

应注意,饱和在放大器中发生,但不在霍尔元件中发生,因此来自较大磁场的霍尔效应传感器没有损坏。

此外,这些传感器对磁场不是完全线性的,因此它们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增加推挽晶体管、开式集电极或开式发射极,增加了器件的接口灵活性。

模拟采用霍尔传感器

数字输出霍尔效应传感器

这些传感器的输出有两个级别:ON或OFF。这些传感器也称为双层传感器。此外,放大器包含一个内置的阈值水平迟滞施密特触发器。这种施密特触发器安排转换模拟信号到数字输出通过比较差分放大器输出与固定参考。

因此,当差分放大器的输出大于参考值或预设值时,Schmitt触发开关ON,而当它低于参考值时,Schmitt触发开关OFF。

两电平输出信号作为磁场的函数如图所示。在这种情况下,滞后消除了可避免的振荡,通过引入死区,在该死区中,在参考值或预置值通过后,动作被禁用。

数字输出霍尔效应传感器

霍尔效应传感器的应用

根据应用的不同,霍尔效应传感器的结构也不同。这些都是非常流行的测量设备在不同的应用领域,如工业过程控制,生物医学,汽车,电信,自动柜员机等。

这些非常广泛地应用于位置传感器,液位测量,限位开关和流量测量。一些器件是基于霍尔效应的,如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。下面将介绍霍尔效应传感器的一些应用。

位置传感器

霍尔效应传感器用于检测滑动运动。在这种类型的关闭传感器中,霍尔元件和磁铁之间将有一个紧密控制的间隙,如图所示。

当磁铁在固定间隙处来回移动时,诱导的磁场将变化。当元素接近南极时,该领域将是负面的。

位置传感器

这些传感器也被称为接近传感器,用于精确定位。下图显示了四个数字输出双极传感器,其中螺纹进入铝外壳,并由一个磁铁安装在一杆上驱动。

当磁体在可接受的尺寸范围内移动时,这些传感器产生信号。从参考表面上看,这些信号代表了测量到的距离。这种布置也被称为多位置传感。这种应用的最佳例子是检测照片处理设备的各种镜头位置。

近距离传感器

流量测量

下图是用于测量流量的霍尔效应传感器。所述腔室设有流体进出开口,流体通过这些开口流动。带有螺纹轴安排的弹簧加载桨叶向霍尔磁铁来回移动磁性组件。

当流量通过腔室增加时,弹簧负载的桨叶转动螺纹轴。因此,当轴转动时,磁性组件向上上升,因此换能器就被通电。

当流量下降时,弹簧圈会导致磁性组件下降。因此,换能器的输出减少。这整个安排将校准,使测量电压和流量之间将有一个线性关系。

流体流量测量

液位测量

在该方法中,霍尔效应传感器用于确定浮子的高度,从而测量罐中的液位。下图说明了罐中的浮子和霍尔效应元件或传感器Ic的布置。浮子配有磁铁,使得其致动变化远远或靠近霍尔元件的磁场距离。

液位测量

当液位上升时,磁铁靠近传感器,因此输出电压上升,而当液位下降时,输出电压下降。因此,该系统提供了简单的液位测量,无需任何电气连接的油箱内。

RPM传感器

速度或RPM感测是霍尔效应传感器最常见的应用。在速度传感中,霍尔效应传感器以静止的方式放置,使其面向旋转磁体。该旋转磁体产生操作传感器或霍尔元件所需的磁场。

旋转磁铁装置可以是不同的方式取决于应用的便利性。其中一些布置在轴或毂上安装各个磁体或者通过使用环磁体。霍尔传感器每次面向磁体都会给出输出脉冲。

此外,这些脉冲由处理器控制,以确定和显示RPM中的速度。这些传感器可以是数字或线性模拟输出传感器。

RPM传感器

无刷直流电机传感器

无刷直流电动机的功率分配由机械换向改为电子换向控制。三个数字双极霍尔效应传感器安装在靠近转子极面的定子一端进行电子换向。

为了操作这些传感器,永磁材料安装在转子轴上。这些传感器测量旋转磁铁的位置,使得它确定当电流应何时施加到电机线圈上,以使磁体沿右方向旋转。

霍尔效应传感器感测的信息馈送到逻辑电路,该逻辑电路进一步编码该信息并控制驱动电路。霍尔效应传感器提供的这种类型的反馈机制,以测量转子用于许多BLDC电机控制应用的转子的速度和位置,因为更大的灵活性。

无刷直流电机传感器

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。

该隔离模拟输出电压进一步数字化;电平偏移和温度补偿通过增加放大器。

电流承载导体总是被磁场包围,因此线性霍尔效应传感器放置在该字段附近,然后在传感器的输出端子上开发电压,如图所示。该电压与导体周围的磁场强度成比例。

电流传感器

通过使用霍尔效应传感器与电磁铁结合,可以获得更灵敏和非常有效的隔离电流传感装置。这种布置包括一个有缝隙的铁氧体环形磁芯和一个位于缝隙中的霍尔效应IC传感器。

传感器被铁芯包围,因此铁芯作为磁通集中器,它将感应磁场集中到如图所示的霍尔元件所在位置。

通过改变磁芯上绕组的数量,这个传感器可以测量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过绕组的电流成正比,因此测量电流。

霍尔效应电流传感器

温度或压力传感器

霍尔效应传感器也可用作压力和温度传感器。这些传感器与带有适当磁铁的压力偏转膜片结合。波纹管的磁性组件来回驱动霍尔效应元件。

在测量压力时,波纹管受到膨胀和收缩。波纹管的变化导致磁性组件靠近霍尔效应元件。因此产生的输出电压与施加的压力成正比。

在温度测量的情况下,波纹管组件是用已知热膨胀特性的气体密封的。当腔室被加热时,波纹管内的气体就会膨胀。这导致传感器产生与温度成比例的电压。

温度或压力传感器

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