发布日期：2022-10-09 点击率：2689
原标题：如何利用霍尔元件来测量磁场？
霍尔元件分为线性特性和开关特性两种，磁通计中的传 感器大多采用具有线性特性的霍尔元件，开关特性随磁体本 身的材料及形状不同而异，低磁场时磁通饱和，直流无刷电动 机的控制一般采用具有开关元件的霍尔传感器。它还会产生 不等位电势，相应的也会有不等位电阻，原因是：霍尔电极安 装不对称或不在同一等电位上；半导体材料不均匀；激励电极 接触不良造成激励电流不均匀。霍尔元件还存在负载特性， 当霍尔电极间串联有负载时，由于要流过霍尔电流，故在其内 阻上产生压降，实际的霍尔电势比理论值略低。
2 测量方法与电路
霍尔传感器的基本测量电路，电源 E 提供激励电流，可变 电阻 RP 用于调节激励电流 I 的大小，RL 为输出霍尔电势 uH 的负载电阻，一般用于表征显示仪表、记录装置或放大器的输 入阻抗。
3 霍尔元件不等位电势进行补偿
不等位电势与霍尔电势以及具有一定相同的数量级，有时我们甚至超 过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其严重困难的，因而 必须通过采用经济补偿管理办法。分析等位基因的潜力，可以是霍尔效应元件或类似的桥梁，通过分析等位基因补偿潜在的电桥平衡。 当电桥平衡时，不等位电势为零。实际上，由于激励电极 不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不 等位电势不为零，可以根据两电极电位的高低，判断应在某一 桥壁上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，不等位电势为零。
4 恒流源供电
根据霍尔效应的原理，在电磁检测时当输入电流恒定，霍 尔传感器输出的霍尔电势仅由外界磁场的磁感应强度唯一决 定，因而宜采用恒电流源作为其工作输入电源。 霍尔传感器的工作电流通常在2~5mA，一般采用LM334Z 作为恒流源输入。LM334Z 是一种 3 端可调恒流源，输出一个电流 还有由外部影响电阻进行调节。 然而，半导体材料对温度变化很敏感，因此通过二极管和电阻器进行温度补偿，以消除温度对其输出的影响。 电流I等于三路电流总和，根据给定温度对电压漂移的影 响系数 227uV/℃，二极管的温度系数为 2.5mV/℃。经过基本 电路分析计算可得 I=0.134U/Rp 其中 U 为 LM334Z 上的电压。因此可以通过调节 Rp 的 阻值来控制恒流源的输出。
5 霍尔传感器的应用
根据式U=KHIB，霍尔传感器的应用可以分为下述三个方面： （1）当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应 强度。因此，任何可以被转换成在物理量的磁感应强度B的变化可被测量，例如位移，角度，速度和加速度。 （2）当磁感应技术强度 B 保持恒定时，传感器的输出一个正比于控制电流 I 的变化。因此，在当前的任何变化可以被转换成一个物理量，可以测量和控制。 （3）由于霍尔电压正比于控制工作电流 I 和磁感应强度 B，所以凡是我们可以通过转换发展成为一个乘法的物理量（如功率）都可以进行分析测量。 根据霍尔元件的原理可以做成位移传感器、霍尔式汽车 点火器和转速器等。 在电磁场检测方面，可以分别应用开关型霍尔和线性霍 尔，不同的特性应用区别很大。线性霍尔元件可以根据实际 的磁场强度来选择相应的芯片来制作电磁传感装置，只是在 传感器的输出时要加入调理电路，将信号变送为需要的电压 信号，具体的外部变送电路根据芯片资料提供的设计基本可 以完成检测要求。开关特性霍尔元件，应用范围很广，主要用 于检测脉冲信号或者计数的传感器的设计。汽车电子的应用 中很多，例如在汽车助力转向装置中用于检测转动方向与角 度的转角传感器中，用开关型霍尔元件设计的用于计数的检 测，将计数结果交给单片机处理，根据每个脉冲所经过的角度 计算出转向跟转过的角度，输出一个力矩给执行装置，达到助 力转向的目的。
例如 ME3144，直接接入单片机 I/O 口就可以 检测的到信号，或者可以上拉到 5V，检测的效果不很明显，最 大高度也很低，可能会影响到车子的整体性能。干簧管检测 就很灵敏，而其检测的最大高度较霍尔能好一些。
更多详情请访问霍尔元件供应商（返回搜狐，查看更多
责任编辑：
霍尔传感器发展背景
21世纪人类全面进入信息电子化时代，更依赖于外界信息采集技术，作为现代信息技术三大支柱技术之一的传感器技术，是人类探知自然界信息的触角。霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。
未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额保持到20％到30％的高速增长。与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。
霍尔传感器的历史进程
近100 多年来,霍尔效应的应用经历了三个阶段:
第一阶段
第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期 。最初，由于金属材料中的电子浓度很大，而霍尔效应十分微弱, 所以没有引起人们的重视 。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器, 但实用价值不大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件， 作为磁场传感器 。但是，由于当时未找到更合适的材料, 研究处于停顿状态。
第二阶段
第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器 、磁罗盘 、磁头 、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度 、速度 、加速度传感器 、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器 、运算器等, 应用十分广泛。
第三阶段
第三阶段是自20世纪60年代开始, 随着集成电路技术的发展, 出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代 ,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。此外，20世纪70年代末，美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖 。
霍尔传感器的定义及原理介绍
霍尔效应传感器也称霍尔传感器，是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。霍尔传感器首先是实用于测量磁场，此外还可测量产生和影响磁场的物理量，例如被用于接近开关、霍尔、位置测量、转速测量和电流测量设备。
其最简单的形式是，传感器作为一个模拟换能器，直接返回一个电压。在已知磁场下，其距霍尔盘的距离可被设定。使用多组传感器，磁铁的相关位置可被推断出。通过导体的电流会产生一个随电流变化的磁场，并且霍尔效应传感器可以在不干扰电流情况下而测量电流，典型的构造为将其和绕组磁芯或在被测导体旁的永磁体合成一体。
霍尔效应传感器通常被用于计量车轮和轴的速度，例如在内燃机点火定时（正时）或转速表上。其在无刷直流电动机的使用，用来检测永磁铁的位置。上图示中的轮子，带有两个等距的磁铁，传感器上的电压在一个周期内将两次达到峰值，此设置通常被用来校准磁盘驱动的速率。
霍尔电流传感器工作原理，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。
霍尔传感器的分类
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。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。
(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。
1、开关型
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。
2、锁键型
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。
3、线性型
输出电压与外加磁场强度呈线性关系，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。
4、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。
霍尔传感器的发展趋势
霍尔传感芯片是全球名列前茅的传感器产品，在全球磁场传感器市场所占份额超过了70%，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器芯片在中国的年销售额将保持20%到30%的高速增长。
与此同时，霍尔传感器芯片相关的技术仍在不断完善，呈现出高集成度、低温度性漂移、高灵敏度、低失调电压、新型的霍尔元件结构、微型化发展趋势。
1.微型化趋势
市场上很多霍尔传感器都采用了各种小型封装。小体积的尺寸非常适合空间较小的应用，例如手机、电动机中的间隙等领域。
2.高度集成
目前，霍尔传感器已经成为智能传感器。例如，厂商基本上已经把各种保护电路和补偿电路、转换器集成到了霍尔传感器上。
3.温度性能
霍尔传感器如何在高温下长时间保持较高的可靠性是一个难题。当霍尔长期处于较高的工作温度时，芯片与基板之间的引线键合将可能出现松动或断裂等现象，从而影响传感器的正常工作。在一些工业应用中，工作温度高达160℃甚至185℃，霍尔传感器要适合这些场合的应用还需要提高温度指标。
4.高度灵敏
目前霍尔传感器最高的灵敏度可以达到几十高斯。在工业和汽车应用领域中，灵敏度在200高斯到500高斯的霍尔传感器可以很好的完成应用任务。不断提高霍尔传感器的灵敏度可以开启新的应用市场，因此，这也是业界努力的目标。
5.新的霍尔元件结构
一般线性霍尔传感器要实现旋转位置的测量，要采用非常复杂的结构，而好的结构在国际上都有专利。采用这些结构的企业需要缴纳专利费。为此，一些企业推出测量水平磁场的霍尔传感器，它可以更易实现旋转的测量。
霍尔传感器的技术难点
霍尔芯片的主要指标有：灵敏度、精确度、温度漂移、失调、线性度、动态范围等。对磁场精度要求不高的霍尔芯片已经有一批相当成熟的产品，但是霍尔盘的缺陷限制了其在高精度测量场合中的应用。
温度漂移和失调电压是霍尔盘最主要的缺陷，温度漂移使霍尔传感器的线性度变差，失调电压易使处理电路饱和，影响测量范围。研究者主要从两个方面改进霍尔芯片性能：霍尔盘、信号处理电路。
霍尔盘
理想霍尔盘应该具有高灵敏度、无失调电压、无温度漂移的特点。但在实际应用中，由于霍尔盘制造工艺的误差，会有一定的失调电压，同时制作霍尔盘的材料受温度影响，会使灵敏度和失调电压随温度变化 。选择合适的霍尔盘材料可以减小灵敏度和失调电压的温度漂移。同时合适的霍尔盘形状，也可以减小制造误差，从而减小失调电压。
根据霍尔效应可知，任何四端口导电的材料都可以产生霍尔电势。但并不是任何材料，任何形状的霍尔盘都可以在实际中应用。在实际应用中，霍尔盘应有高的灵敏度和低的失调电压。霍尔效应最初是在研究金属时发现的，但是由于金属中电子浓度很高，霍尔效应很弱，金属不适合作为霍尔盘的材料 。在20世纪40年代中期，随着半导体技术的出现，半导体用作霍尔盘的材料得到了很大的发展。
霍尔盘的几何形状会影响霍尔盘灵敏度和失调电压漂移，为方便信号采集和后续处理，霍尔盘一般都设计成对称形式，有方型、圆型、八角型和十字交叉型等。
失调电压消除
由于制造工艺误差和外界环境变化 ，在外界磁场强度为零时，霍尔盘会有一个不为零的输出电压，这个电压就是霍尔盘失调电压。霍尔盘的失调是霍尔盘与生俱来的，本身无法消除，必须通过后续处理电路消除。
H. Blanchard提出了一种静态正交耦合消除失调电压的方法 ，这种方法的思想是从互相垂直的两个方向向霍尔盘注入电流时，失调电压的极性相反。因而，可以使用两个完全相同的霍尔盘，从两个垂直方向输入电流，把输出进行相加，从而可以消除失调电压。
但这种方法的缺点是：由于工艺制造的误差，霍尔盘会有一定的差别，失调电压不可能完全消除。Paun采用了旋转电流技术，很大程度上抑制了失调电压。
温度漂移补偿
霍尔盘的灵敏度会随着温度、器件老化和压力而变化，特别是器件完成封装之后这些效应的影响会加强。霍尔盘灵敏度的漂移会影响霍尔芯片的线性度，限制霍尔芯片在高精度测量场合中的应用。
许多高校和公司都提出了解决方法，LEM公司采用了查表法补偿霍尔盘的温度漂移。首先，测出霍尔盘灵敏度变化量与温度变化量的关系，存储在寄存器中。当温度变化时，根据温度变化量，从寄存器中得到灵敏度变化量，用该值补偿灵敏度温度漂移。此方法属于开环补偿。
另外一种方法是闭环回路补偿 ，其方法是：在芯片内部能够产生一个不随温度变化参考磁场，此参考磁场通过霍尔盘产生参考电压，通过反馈回路使该参考电压不随温度变化，同时补偿掉敏感度的温度漂移。
霍尔传感器的应用领域
1.霍尔传感器在汽车工业上的应用
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。
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。
2.霍尔传感器在出租车计价器上的应用
霍尔传感器在出租车计价器上的应用：通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号，送到单片机，经处理计算，送给显示单元，这样便完成了里程计算。
检测原理，P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断0，车轮每转一圈（设车轮的周长是1 m），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，对脉冲计数，当计数达到1 000次时，也就是1 km，单片机就控制将金额自动增加。
每当霍尔传感器输出一个低电平信号就使单片机中断一次，当里程计数器对里程脉冲计满1 000次时，就有程序将当前总额累加，使微机进入里程计数中断服务程序中。在该程序中，需要完成当前行驶里程数和总额的累加操作，并将结果存入里程和总额寄存器中。
3.霍尔电流传感器在变频器上的应用
在有电流流过的导线周围会感生出磁场，再用霍尔器件检测由电流感生的磁场,即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。
因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，并且可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。
在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。
随着工业物联网的发展，霍尔传感器的发挥空间也越来越大，但对它的稳定性和安全性要求也更高，毕竟工业不同于消费领域，不允许机器突然断电或停止运行。根据市场需求，未来的霍尔传感器将更小，这样才能满足更多应用领域，同时智能化，这样才能满足大数据时代的物联网需求。
霍尔传感器的未来展望
时代在发展，科技在进步。任何事物都在不断地更新换代。不然就会被淘汰掉。霍尔传感器也不例外。随着社会的发展越来越快，更多的高科技产品离不开霍尔元件的控制，因此要不断地创新才能永久发展。
此外，霍尔传感器应用的领域不同，因此各个市场对它的要求也不尽相同。随着各个行业的终端应用产品不断发展，霍尔传感器的微型化、高集成化、高灵敏度、耐温性发展特性也会越来越凸显。
举报/反馈
PAGE
PAGE 6
目 录
TOC o "1-3" p " " h z u 一、课程设计任务书… …………………………………….…………….….. 2
二、元件介绍…………………………………………………………………….… 3
三、课程设计原理…………………………………………………………………... 6
3.1霍尔效应………………………………………………………………………... 6
3.2测磁场的原理,载流长直螺线管内的磁感应强度 …………………….. 8
四、课程设计内容………………………………………………………...………... 10
4.1电路补偿调节……………………………………………………………...….. 10
4.2失调电压调零 …………………………………………………………….….. 10
4.3按图4-3接好信号处理电路…………………………………………… 10
4.4按图4-4接好总测量电路……………………………………………….…. 11
4.5数据记录与处理……………………………………………………….…… 12
4.6数据拟合..……………………………………………………………….… 13
五、成品展示……………………………………………………………………… 16
六、分析与讨论………………………………………………………………..….… 17
实验所需仪器…………………………………………………………………….…… 19
个人总结………………………………………………………………………………... 20
致谢…………………………………………………………………………….…………. 21
参考文献………………………………………………………………………..………. 22
参考网址…………………………………………………………………………...……. 22
课程设计任务书
一、课程设计题目：集成霍尔传感器测磁场
二、目的与要求：
1、目的：
（1）.了解霍尔传感器的工作原理
（2）.掌握运用霍尔传感器测量磁场的方法
2、基本要求：
（1）设计调零电路，将零磁场时的霍尔输出电压调为零。
（2）设计放大电路，将输出的电压值放大。
（3）测量数据并分析。
3、写出设计说明书
按照设计过程写出设计说明书。
三、设计中涉及到的重要内容：
1、集成霍尔传感器；
2、测量电路；
二、元件介绍
CA3140
CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放。
应用范围:
.单电源放大器在汽车和便携式仪表
.采样保持放大器
.长期定时器
.光电仪表
.探测器
.有源滤波器
.比较器
.TTL接口
.所有标准运算放大器的应用
.函数发生器
.音调控制
.电源
.便携式仪器
3503霍尔元件
UGN3503LT，UGN3503U和UGN3503UA霍尔效应传感器准确地跟踪磁通量非常小的变化，密度变化通常太小以致不方便操作霍尔效应开关。
可作为运动探测器，齿传感器和接近探测器，磁驱动机械事件的镜像。作为敏感电磁铁的显示器，就可以有效地衡量一个系统的负载量可以忽略不计的性能，同时提供隔离污染和电气噪声。 每个霍尔效应集成电路包括一个霍尔传感元件，线性放大器和射极跟随器输出级。
三种封装形式提供了对磁性优化包大多数应用程序。封装后缀“LT”是一个缩影SOT-89/TO243AA表面贴装应用的晶体管封装;后缀“U”是一个微型三引脚塑料SIP，而'UA'是一个三引脚超小型SIP协议。所有器件的额定连续运行温度 范围为-20 °C至+
特点:
·极为敏感 ·至23 kHz的平坦的响应 ·低噪声输出 ·4.5 V至6 V的操作 ·磁性优化装箱
图2-4 3503霍尔元件封装及引脚图
三、课程设计原理
3.1霍尔效应
图3-
把矩形的金属或半导体薄片放在磁感应强度为的磁场中，薄片平面垂直于磁场方向。如图3-1-1所示，在横向方向通以电流I，那么就会在纵向方向的两端面间出现电位差，这种现象称为霍尔效应，两端的电压差称为霍尔电压，其正负性取决于载流子的类型。(图3-1-1载流子为带负电的电子，是N型半导体或金
霍尔效应开关和仪器级传感器在工业应用中正变得越来越普及，如今产品和制造工艺设计师可以选用高度集成的各种霍尔效应器件。虽然在需要哪些规范以及磁场测量方面总的来说仍有许多困惑，但这些器件已被证明应用起来相当简便。
本文引用地址：
在使用数量上只有温度传感器略胜一筹，但霍尔效应传感器亦已被用于国内和商业应用中种类广泛的设备，包括DVD、CD、内存驱动器、自动玩具、手机、汽车罗盘以及汽车点火系统。你还可以在线性、工业旋转设备、位置检测器以及军事/航空设备中见到它们的身影。
制造和测试工程师使用各种类型的分立霍尔效应传感器与仪器提供产品信息并监视制造工艺步骤。虽然在测量功能上与其它类型的传感与仪器可能有些重叠，但对于某些类型的测量来说霍尔效应传感器明显是最佳选择，甚至有些情况下没有其它类型的测试设备能够提供所需的数据，其中就包括对直流电流值、旋转位置、间隙、表面或泄漏磁场值的测量。霍尔效应传感器历史部分提供了有关这些传感器的一些背景知识。
霍尔效应传感器的工作原理
当以一定角度穿过一片材料的磁场影响到在此材料中流动的电流时就会产生霍尔电压。霍尔片通常是一片矩形的半导体材料，作为有源元件或“有源区域”产生霍尔电压(图1)。霍尔片有给定的长度l、宽度w和厚度t。
图1：可以用直流磁场产生和测量霍尔电压。
测量霍尔电压
对于与霍尔片正交的磁通量矢量来说，最大霍尔电压VH就是霍尔片磁场灵敏度γB 与磁场通量密度B的乘积，即：
VH=γBB
这是在霍尔片上可以测得的最大霍尔电压。当霍尔片表面与磁通量矢量不是正交而是呈一个角度θ时，霍尔电压VH等于：
VH=γBB × sinθ
电流I流经长度为l的霍尔片。电流是在触点Ic(+)和Ic(-)之间流动的。磁场处于z方向，也就是说正交于霍尔片平面。由磁场施加的力被称为洛伦兹力，它迫使电荷载体(空穴或电子)沿着图示线条曲线向霍尔片边缘移动。这个力是载流子速度和磁场强度的一个系数。最终在宽度为w的材料的触点VH(+)和VH(-)之间测到的霍尔电压正比于磁场的通量密度。
仪器配置
霍尔效应传感器的支持设备包括用于提供电流Ic的电流源和用于测试触点VH(+)和VH(-)之间霍尔电压的电压表。有些方案还采用负载电阻RL用于电压测量，如图2所示。许多类型的霍尔效应仪器提供这种支持电路的某个部分作为测量系统的有机组成部分。来自触点VH(+)和VH(-)的电压引线可以直接连接到高阻电压表进行读数，或连接到其它电路进行放大、调整和处理。(使用交流源和锁相放大器的更复杂系统也可以用，但不在本文讨论范围内)
图2：仪器中使用的霍尔发生器的典型配置。
应用
在工业环境中，霍尔效应器件一般服务于以下两种主要应用之一：
● 测量磁场强度
● 检测移动物体的接近、位置和旋转参数
下文将讨论每种应用，并提供了高效使用霍尔效应器件的一些技巧。
用于磁场测量的仪器级传感器
当一种工业应用要求精确或经认证的磁场测量时，经常会采用仪器级霍尔效应器件。比较常见的一些仪器级应用包括电磁场控制、半导体离子注入束控制、磁体或磁性零件的受入检查、在线磁化确认、磁场制图、电流检测以及连续磁场暴露监视等。作为这许多测量的替代方法，可以使用商用的高斯计。然而在实际应用中，物理或成本约束经常要求使用分立的霍尔传感器和商用的电子设备。
仪器级霍尔器件用户通常希望得到一个空间或空隙中或来自表面的磁场精确值。根据测量的空间特征，需要使用合适的安装方法来安置和保持检测元件。
典型的霍尔效应传感器通常有横向或轴向两种配置(图3)。横向传感器一般是很薄的矩形，设计用于磁路间隙测量、表面测量和开放磁场测量。轴向传感器一般是圆柱体，用于环形磁铁中心孔测量、螺线管磁场测量、表面磁场检测和普通磁场检测。
图3：横向和轴向霍尔传感器的基本几何形状。
实用化考虑
高质量的传感器可以提供高精度、卓越的线性度和低温度系数。通常可以买到用于特定测量和仪器的合适探头，而且制造商会提供经认证的校准数据。
仪器级霍尔效应传感器的一些较为重要的实用化考虑因素有：
精度。设计师必须确定特定测量所需的精度。在没有信号调节的条件下可以达到1.0%至2.0%的读取精度。在许多应用中使用微处理器校正后可以达到0.4%的精度。
角度。如前所述，霍尔传感器输出是霍尔板与磁场矢量之间夹角θ的正弦函数。当磁场矢量垂直于器件平面(sin90°=1.0)时输出达最大值，当磁场矢量与传感器平面平等时输出为最小值(接近0)。制造商会在最大输出时校准霍尔传感器，因此需要考虑测试夹具或探头的角度误差。
温度。许多种传感器方案都可以支持宽的温度和磁场范围。仪器级传感器支持从1.5K (-271°C)至448K (+175°C)的温度范围和从0.1高斯至30万高斯的磁场范围。霍尔传感器有两种温度系数：一种是用于磁场灵敏度(校准)的温度系数，另一种与偏差(零)变化有关。温度对校准的影响是读数误差的一个百分数，零效应则是取决于温度的一个固定磁场值误差。偏差变化在低磁场读数(小于100高斯)时更为重要。技术人员应该仔细研究制造商给出的两种温度系数指标，然后判断某个特定应用是否能在目标温度范围内保持想要的精度。
输入电流限制。建议设计师了解所要求的输入电流值，并注意不要超过规定的最大值。记住，正常情况下霍尔效应器件是在某个电流值进行校准的。任何偏离校准电流的变化都会改变传感器的输出。然而，这也是一个可以利用的特性。只要不超过最大电流值，电流翻倍输出也会跟着翻倍。
如前所述，基本的仪器级霍尔传感器是一片具有4个电气触点的低阻材料。输入和输出电路彼此间是不隔离的，因此你必须避免使用输入和输出电路中的公共连接。为了满足这个要求，你可以使用隔离式电流源或输出的差分输入放大。
传感器安装替代方案
在一些测量应用中，使用标准探头是不切实际的或不合意的。相反，霍尔效应传感器被直接安装在机械组件上。定制化的传感器安装方式设计超出了本文的讨论范围。以下是在定制方式下有用的一些通用指南：
易碎性。霍尔传感器特别脆弱，很容易因弯曲应力而受损。因此要避免霍尔片接触施加直接压力的表面或器件。在一些应用中，使用非导电的陶瓷或其它绝缘材料作为接口片。
绑定。必须仔细选择绑定粘合剂，以便不给传感器增加应力。当温度变化不超出室温±10℃时，普通环氧(如5分钟风干类型)就很好了。一般不建议罐封，除非是在腐蚀性很高的环境条件下。还可以用其它一些绑定方法来减轻传感器引线的应力，比如将它们绑定在安装基板上。
加工的腔体。这些腔体可以用于轴向或横向霍尔传感器，传感器顶部凹陷在表面下，有助于防止压力接触或磨损。
试管安装。试管安装方式(图4)可以用于保护轴向霍尔传感器。
推荐方法是为任何定制安装应用选择最具鲁棒性的传感器。采用陶瓷或笨酚封装的单元一般来说最耐用。
图4：轴向传感器可以安装在试管内，其中的传感器可以暴露或凹陷在腔体内得到保护。横向传感器一般安装在凹陷处。
集成的接近与旋转传感器
霍尔效应传感器已被广泛用于各种线性接近检测设备，对接近设备的磁场变化进行响应。例如，检测到的磁极可能接近与霍尔片垂直的传感器，或者磁体经过传感器的平面。这种运动将导致产生的电压发生变化。附加的集成电路将霍尔电压转换成显著更大的数字兼容信号。
角度检测、旋转和速度检测使用相同的霍尔效应原理测试位置的重复性物理性变化。对于旋转、速度或角度传感器来说，磁极连接在旋转物体上，比如电机轴，霍尔片是静止的。众所周知的角坐标应用包括检测无刷直流电机的换向和发动机曲柄轴的旋转角度。
用于接近、旋转和电流检测的各种类型设备都是某种形式的霍尔效应“开关”，由霍尔效应输出触发，然后馈送进其它集成电子电路。这种开关根据检测到的磁场值或最近的磁场值和极性提供二元的高低输出。当与载流线圈结合在一起时，霍尔效应开关还可以为过流电路断路器提供电流值检测。
开关工作模式
共有三种主要的工作类型：
双极霍尔开关：要求南极和北极同时高于规定的幅值才能改变状态，也被称为闭锁型开关。
单极正向霍尔开关：要求一个极。根据正向通量密度大于某个幅值或小于最小值(通常没有磁场)改变状态(低或高)。
单极负向霍尔开关：要求一个极。根据负向能量密度幅值大于某个值或小于最小值(即没有磁场)改变状态(高或低)。
霍尔片所处的磁场决定了输出状态。来自霍尔效应检测器的信号被检测、放大，然后用于控制输出端的固态开关元件。到外部逻辑和控制元件(如CMOS或TTL电路)的连接是标准连接，带有外部上拉电阻。由于大批量生产的原因，集成式霍尔效应器件(图5)通常成本很低。
图5：集成式霍尔效应器件的简化原理图。
最常用的封装类型是表贴或兼容印刷线路板的引线类型(图6)。与传感器封装有关的正负磁场方向在制造商提供的规格书中有定义。
图6：霍尔效应传感器的封装类型。
为了使得这些器件在应用中更加有用，请记住：
● 当需要精确的磁场读数时要选择仪器级器件。接近检测(角度或线性)最好选用集成式“开关”。
● 了解重要的参数，如磁场幅值，交流或直流磁场，交流频率，温度范围，以及外部噪声(磁性或电气噪声)
● 尽可能选择更具鲁棒性的封装
● 如果准备使用永久磁铁，请向磁铁制造商寻求帮助。
霍尔效应传感器历史
自从1879年Edwin H.Hall博士用一片金箔做实验时出现这种行为后，霍尔效应的知识就被广泛流传开来。虽然现代传感器的开发花去了全球科学家和工程师大量的时间和精力，但霍金的开发起到了抛砖引玉的作用。选取合适的材料是导致延迟的部分原因。在20世纪50年代中期之前，铋是用于传感器开发的最好实用材料。虽然仍然不理想，但铋可以提供足够的霍尔电压和稳定性，完全可以在诸如电磁场控制器等设备中用作传感器。
在20世纪40年代期间材料科学终于迎来了突破性进展，当时III-V族半导体是苏联的主要研究课题。德国西门子公司的科学家则首先认识到，新发现的这些化合物特性可以做出优异的霍尔效应器件(霍尔发电机)。
这类半导体具有霍尔效应应用所需的高载流子迁移率和高电阻率，并且在可变温度条件下具有卓越的稳定性。到20世纪50年代晚期，美国俄亥俄州的研究人员发掘出砷化铟和锑化铟的独特性能，并因此诞生了多家生产基于霍尔效应的产品的公司。作为仪器级传感器，砷化铟器件在稳定性、低噪声和最小温度系统等方面的性能至今还未被其它材料超越。
许多年来，集成电路制造商一直在致力于向市场提供硅霍尔效应器件。它们的大批量生产设施和向传感器增加其它电路的能力为低成本高度通用的器件带来了希望。到20世纪70年代晚期，硅霍尔效应开关得到了长足发展。施密特触发器和输出晶体管的加入给业界带来了极有影响力的器件，这种器件可以提供与磁场存在或消失有关的大输出变化。但获得精确和可重复的结果还存在一些问题。测量的结果通常会受到高温度系数和可变开关校准的影响。直到20世纪80年代，现代校准和补偿电路才使得当今的集成式传感器达到了相当高的性能水平。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 电气控制线路图控制原
