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浅析霍尔传感器工作原理、应用及未来展望

霍尔传感器是世界第三大传感器,广泛应用于工业、汽车、计算机、移动和新兴消费电子行业。未来几年,随着越来越多的汽车电子和工业设计公司进入中国,

霍尔传感器在中国市场的年销量将保持20% - 30%的高速增长。同时,霍尔传感器的相关技术还在不断完善中。可编程霍尔传感器、智能霍尔传感器和微霍尔传感器将具有更好的市场前景。


什么是霍尔效应?


霍尔效应是由霍尔(a.h.)发现的一种磁电效应。1879年,他研究了金属的导电机理。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,霍尔效应是比半导体的金属,当当前垂直于磁场通过导体,转移载体,

垂直于电流和磁场的方向会产生额外的电场,因此导体的两端电位差,这种现象称为霍尔效应,电位差又称霍尔电位差。用左手定则判断霍尔效应。

式(1)中:在控制电流Ic不变的情况下,在一定条件下,通过测量霍尔电压来计算磁感应强度的大小,从而建立磁场与电压信号之间的联系。根据这种关系,研制了一种测量磁场的半导体器件,即霍尔元件。


霍尔效应:材料的性质的固体载体运动加一个磁场,由于洛伦兹力的作用,使轨迹偏差发生,和两侧电荷物质积累,形成垂直于电流电场的方向,最终使承运人的洛伦兹力和电动斥力的平衡,以便建立一个稳定的电势差双方霍尔电压。


正交电场强度与电流强度的乘积与磁场强度的比值为霍尔系数。平行电场与电流强度之比为电阻率。大量研究表明,材料的导电过程不仅涉及带负电荷的电子,还涉及带正电荷的空穴。


霍尔传感器是什么?


霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁场传感器,广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理中。


霍尔效应实验测得的霍尔系数可以判断半导体材料的电导率类型、载流子浓度和载流子迁移率等重要参数。


由于霍尔元件产生的电位差很小,霍尔元件通常与放大器电路、温度补偿电路和稳压电源电路集成在一块芯片上,称为霍尔传感器。霍尔传感器又称霍尔集成电路,其形状较小,如下图所示:

一种霍尔传感器

霍尔传感器的优点及应用


很多人都知道汽车越自动化,微电子电路越多,就越怕电磁干扰。而汽车中有许多灯具和电器,尤其是大功率大灯,空调电机和雨刷电机在开关时会产生浪涌电流,使机械开关接触产生电弧,产生大的电磁干扰信号。


这些现象可以通过使用功率霍尔开关电路来减少。霍尔装置可以通过检测磁场的变化并将其转换为电信号输出,来监测和测量汽车各部件运行参数的变化。


如位置、位移、角度、角速度、速度等,这些变量可以二次变换;可测量压力、质量、液位、流量、流量等霍尔器件输出直接与电控单元接口,可实现自动检测。

大厅设备能吸收一定量的振动,可以在- 40℃到150℃以上冻结范围内工作,所有密封水和油污,完全能够适应恶劣的工作环境的汽车。

霍尔传感器可以测量任何波形的电流和电压,如直流、交流、脉冲波形等,甚至可以测量瞬态峰值。二次电流忠实地反映了一次电流的波形。但普通变压器是不可比拟的,一般只适用于50Hz正弦波的测量

有好的一次回路与二次回路电气隔离,隔离电压可达9600Vrms;


精度高:在工作温度范围内精度大于1%,适用于任何波形的测量;霍尔开关装置无接触、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无跳回、位置重复精度高(可达m级)。


宽带:高带宽电流传感器上升时间可小于1秒;然而,电压传感器带宽较窄,一般在15kHz以内,6400Vrms高压电压传感器上升时间约为500uS,带宽约为700Hz。


测量范围广:电流测量可达50KA,电压测量可达6400V。


结构坚固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗低、频率高(最高可达1MHZ)、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽和盐雾污染或腐蚀。

以上是霍尔传感器的一个典型应用-两个磁体在一个车轮通过霍尔效应传感器。这里展示的车轮,有两个等间距磁铁,将有其电压峰值在一个周期两次。


它通常用于测量车轮和轴的速度,如在内燃机燃烧或转速表上。用于无刷直流电动机中检测永磁体的位置。

霍尔传感器广泛应用于变频调速装置、变频器、UPS电源、通信电源、电焊机、电动机车、变电站、数控机床、电镀、微机监控、电网监测设施需要隔离检测当前和新兴的太阳能、风能和地铁铁路信号、汽车电子等领域。


霍尔传感器的主要特性参数


霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。其主要特征参数如下。


(1)输入电阻R


霍尔传感器元件的两个励磁电流端处的直流电阻称为输入电阻。它的值范围从几欧姆到几百欧姆,这取决于组件的类型。


随着温度的升高,输入电阻减小,使得输入电流增大,最终导致霍尔传感器电位变化。为了减小这种效应,最好采用恒流源作为激励源。


(2)输出电阻R


两个霍尔传感器的电位输出端子之间的电阻称为输出电阻,其数字与输入电阻的数量级相同。它也随温度变化。通过选择合适的负载电阻,可以减小温度引起的水势漂移。


(3)最大励磁电流I——霍尔传感器参数


由于潜在的增加励磁电流霍尔传感器,因此,总是愿意选择大的励磁电流的应用1 m但是励磁电流增加,程Er组件增加功耗,组件的皮肤温度上升,导致端潜在的霍尔传感器温度漂移,因此每种类型的一些规则对应的最大励磁电流,其值几百的妈妈。


(4)敏感性K

灵敏度

KH=EH/IB,其值约为10MV(ma.t)。


(5)最大磁感应强度BM-- -霍尔传感器参数


当磁感应强度超过BM时,霍尔传感器电位的非线性误差将显著增加,特斯拉pick (T)将变成数千高斯(Gs)

(1Gs=104T)。


(6)等位


在额定励磁电流F下,当外界磁场为零时,是由四个隧道极点的几何尺寸不对称引起的。


(7)霍尔传感器电位温度系数


6 m值通常0刀开路电压之间的霍尔传感器输出范围作为一个潜在的,当使用桥方法采用补偿更多的范围从一个潜在的原因,磁感应强度和励磁电流的作用下,温度每一摄氏度,霍尔传感器作为电势的变化百分比弱电压温度系数霍尔传感器,它是与霍尔传感器元素的材料有关。


霍尔传感器的分类


霍尔传感器可分为线性霍尔传感器和开关霍尔传感器。

(1)线性霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和发射极跟随器组成,输出模拟量。

(2)开关霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、smit触发器和输出级组成,输出数字量。

根据被测对象的性质,其应用可分为直接应用和间接应用。前者是直接检测磁场或磁特性的被测对象,被测对象是检测被测对象上人为设置的磁场。


霍尔传感器在各个领域的应用


根据被测对象的性质,其应用可分为直接应用和间接应用。前者是直接检测磁场或磁特性的测试对象,而后者是检测人为设置测试对象上的磁场,利用磁场检测信息的载体,通过非电量和非磁性物理量转换。


如力、扭矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转速、转速、工作状态变化时间等,转换成电量进行检测和控制。


(I)线性霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。


1. 电流传感器:

螺线管内部的磁场与导线中的电流成正比,所以霍尔传感器可以测量磁场来确定导线中的电流。

霍尔电流传感器就是基于这一原理设计的。它的优点是与被测电路无电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适用于大电流传感。


霍尔电流传感器的工作原理如图所示:

标准环芯有一个间隙。霍尔传感器插入到间隙中。线圈绕在环上。


2. 位移测量:

如图所示:

两个永磁体极性相对位置,线性霍尔传感器放置在中间,其磁感应强度为零,这一点可以作为位移的零点,当大厅为δZ Z轴位移传感器,该传感器电压输出,电压的大小和位移距离大小成正比。


如果将拉力、压力等参数转换为位移距离,即可测得拉力、压力,如下图所示。它是根据这一原理制作的扭矩传感器。

(2)开关大厅传感器主要用于测量转速、转速、风速、速度、接近开关、关门指示灯、报警、自动控制电路等。


1. 测量的速度或转数:


如下图所示:

霍尔传感器放置在磁盘边缘附近。如果圆盘旋转一次,霍尔传感器将输出一个脉冲,以测量转速(计数器)。如果接上频率计,就可以测量转速。


如果将开关式霍尔传感器按预定位置定期布置在轨道上,当安装在移动车辆上的永磁体经过时,可从测量电路测量脉冲信号。车辆的速度可以根据脉冲信号的分布来测量。


2. 各种实际的电路:


开关霍尔传感器以其体积小、工作电压范围宽、工作可靠、价格低廉等优点得到了广泛的应用。


这里有一个例子:


车门状态显示:

现在汽车一般都有这个功能。这里使用霍尔传感器。用一个小的永磁体就很容易判断门是否关着。配置电路如下:

三片开关霍尔传感器安装在汽车的四个门框上,一块磁钢固定在车门的适当位置。门打开时,磁钢远离霍尔开关,输出端电平高。如果不关闭,四门或门的输出是低水平,红灯,表明门不关闭,所有三个门是否关闭,或门的输出是高水平的,开了绿灯,表明门关闭,司机可以安全地驾驶。


霍尔传感器的前景


霍尔传感器在中国市场的增长率为两位数。霍尔传感器在我们的日常生活中得到了广泛的应用。例如,在翻盖手机或滑动手机中,用来检测手机盖翻盖或滑动的设备是霍尔传感器。另一个例子,在计算机键盘上,鼠标移动的滚动键是由霍尔传感器组成的;此外,霍尔传感器还用于汽车变速箱、电动门窗等需要电机的部件。我们每天都要处理霍尔传感器。


霍尔传感器的应用领域不同,因此不同的市场对其有不同的要求。手机市场对霍尔传感器的主要要求包括尺寸、功耗和可调阈值。在工业和汽车应用中,霍尔传感器必须首先满足工业或汽车对设备的认证要求,如安全性、稳定性和温度温度范围达到相应的水平。


随着这些终端应用产品的不断发展,霍尔传感器也呈现出小型化、高集成化、高灵敏度和耐高温的发展趋势。


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