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

 

 

磁傳感器是固態(tài)設(shè)備，它們變得越來越流行，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜谠S多不同類型的應(yīng)用，例如感測位置，速度或定向運(yùn)動。它們也是電子設(shè)計(jì)人員的一種流行的傳感器選擇，因?yàn)樗鼈兙哂蟹墙佑|式無磨損操作，低維護(hù)，堅(jiān)固的設(shè)計(jì)以及密封的霍爾效應(yīng)設(shè)備，不受振動，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，距離和速度的汽車系統(tǒng)。例如，曲柄軸的角度位置用于火花塞的點(diǎn)火角度，汽車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系統(tǒng)的車輪速度檢測（ABS）。

 

磁傳感器設(shè)計(jì)用于響應(yīng)各種不同應(yīng)用中的各種正負(fù)磁場，一種類型的磁傳感器，其輸出信號是其周圍磁場密度的函數(shù)，稱為霍爾效應(yīng)傳感器。

 

霍爾效應(yīng)傳感器是由外部磁場激活的設(shè)備。我們知道磁場有兩個重要特性：磁通密度，（B）和極性（北極和南極）?；魻栃?yīng)傳感器的輸出信號是器件周圍磁場密度的函數(shù)。當(dāng)傳感器周圍的磁通密度超過某個預(yù)設(shè)閾值時，傳感器檢測到它并產(chǎn)生稱為霍爾電壓V H的輸出電壓。請看下圖。

 

霍爾效應(yīng)傳感器原理

 

 

霍爾效應(yīng)傳感器基本上由一塊薄的矩形p型半導(dǎo)體材料組成，例如砷化鎵（GaAs），銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs），它們通過自身連續(xù)的電流。當(dāng)器件放置在磁場中時，磁通線在半導(dǎo)體材料上施加力，該力使電荷載流子，電子和空穴偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體板的任一側(cè)。電荷載流子的這種運(yùn)動是它們經(jīng)過半導(dǎo)體材料所經(jīng)受的磁力的結(jié)果。

 

當(dāng)這些電子和空穴移動側(cè)邊時，通過這些電荷載流子的積累在半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間產(chǎn)生電位差。然后，電子通過半導(dǎo)體材料的運(yùn)動受到與其成直角的外部磁場的影響，并且這種效果在扁平矩形材料中更大。

 

通過使用磁場產(chǎn)生可測量電壓的效果被稱為18世紀(jì)70年代后發(fā)現(xiàn)它的霍華德霍爾的霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)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必須垂直，（90 ø到的電流的流動），并按照正確的極性，通常一個南極的。

 

霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類型和磁場大小的信息。例如，南極會導(dǎo)致器件產(chǎn)生電壓輸出，而北極則無效。通常，當(dāng)沒有磁場存在時，霍爾效應(yīng)傳感器和開關(guān)被設(shè)計(jì)為處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開路狀態(tài)）。它們僅在經(jīng)受足夠強(qiáng)度和極性的磁場時才變?yōu)?ldquo;接通”，（閉路狀態(tài)）。

 

霍爾效應(yīng)磁傳感器

 

基本霍爾元件的輸出電壓（稱為霍爾電壓，（V H））與通過半導(dǎo)體材料的磁場強(qiáng)度（輸出αH ）成正比 。這個輸出電壓可以非常小，即使受到強(qiáng)磁場也只有幾微伏，因此大多數(shù)商用霍爾效應(yīng)器件都是通過內(nèi)置直流放大器，邏輯開關(guān)電路和穩(wěn)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(yīng)傳感器能夠在更廣泛的電源和磁場條件下工作。

 

霍爾效應(yīng)傳感器

 

 

霍爾效應(yīng)傳感器提供線性或數(shù)字輸出。線性（模擬）傳感器的輸出信號直接取自運(yùn)算放大器的輸出，輸出電壓與通過霍爾傳感器的磁場成正比。該輸出霍爾電壓如下：

 

 

線性或模擬傳感器提供連續(xù)的電壓輸出，其隨著強(qiáng)磁場而增加，并且隨著弱磁場而減小。在線性輸出霍爾效應(yīng)傳感器中，隨著磁場強(qiáng)度的增加，放大器的輸出信號也會增加，直到它開始飽和電源施加的限制。任何額外的磁場增加都不會對輸出產(chǎn)生影響，但會使其更加飽和。

 

另一方面，數(shù)字輸出傳感器具有施密特觸發(fā)器，內(nèi)置滯后連接到運(yùn)算放大器。當(dāng)通過霍爾傳感器的磁通量超過預(yù)設(shè)值時，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)而沒有任何類型的接觸反彈。當(dāng)傳感器移入和移出磁場時，這種內(nèi)置滯后消除了輸出信號的任何振蕩。然后數(shù)字輸出傳感器只有兩種狀態(tài)，“ON”和“OFF”。

 

有兩種基本類型的數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器，雙極和單極。雙極傳感器需要一個正磁場（南極）來操作它們，一個負(fù)磁場（北極）釋放它們，而單極傳感器只需要一個磁性南極來操作和釋放它們進(jìn)出磁場領(lǐng)域。

 

大多數(shù)霍爾效應(yīng)器件不能直接切換大電氣負(fù)載，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲵?qū)動能力非常小，大約10到20mA。對于大電流負(fù)載，將一個集電極開路（電流吸收）NPN晶體管添加到輸出端。

 

該晶體管在其飽和區(qū)域內(nèi)作為NPN吸收開關(guān)工作，只要施加的磁通密度高于“ON”預(yù)設(shè)點(diǎn)，就會使輸出端短接到地。

 

輸出開關(guān)晶體管可以是開放式發(fā)射極晶體管，開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(qū)動許多負(fù)載，包括繼電器，電動機(jī)，LED和燈。

 

霍爾效應(yīng)應(yīng)用

 

霍爾效應(yīng)傳感器由磁場激活，并且在許多應(yīng)用中，該裝置可以由連接到移動軸或裝置的單個永磁體操作。有許多不同類型的磁鐵運(yùn)動，例如“正面”，“側(cè)面”，“推拉”或“推 - 推”等感應(yīng)運(yùn)動。對于每種類型的配置，為確保最大靈敏度，磁通線必須始終垂直于設(shè)備的感應(yīng)區(qū)域，并且必須具有正確的極性。

 

同樣為了確保線性，需要高磁場強(qiáng)度的磁體，其對于所需的運(yùn)動產(chǎn)生大的場強(qiáng)變化。有運(yùn)動的用于檢測磁場幾個可能的路徑，和下面是兩個使用單個磁體更常見的感測配置的：頭接通檢測和側(cè)身檢測。

 

正面檢測

 

 

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

 

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

 

線性器件還可以區(qū)分正磁場和負(fù)磁場。可以使非線性裝置在遠(yuǎn)離磁體的預(yù)設(shè)氣隙距離處觸發(fā)輸出“ON”以指示位置檢測。

 

側(cè)向檢測

 

 

第二傳感配置是“側(cè)向檢測”。這需要以橫向運(yùn)動的方式將磁鐵移過霍爾元件的表面。

 

側(cè)向或滑動通過檢測是用于檢測磁場的存在，因?yàn)樗七^霍爾元件的面例如固定的氣隙距離內(nèi)，計(jì)數(shù)旋轉(zhuǎn)磁體或電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是有用的。

 

取決于磁場經(jīng)過傳感器的零場中心線時的位置，可以產(chǎn)生表示正輸出和負(fù)輸出的線性輸出電壓。這允許定向移動檢測，其可以是垂直的也可以是水平的。

 

霍爾效應(yīng)傳感器有許多不同的應(yīng)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，污垢或油，例如汽車應(yīng)用?；魻栃?yīng)器件也可用于電流檢測。

 

當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，會在其周圍產(chǎn)生圓形電磁場。通過將霍爾傳感器放置在導(dǎo)體旁邊，可以從產(chǎn)生的磁場測量從幾毫安到數(shù)千安培的電流，而無需大型或昂貴的變壓器和線圈。

 

除了檢測磁鐵和磁場的存在與否，霍爾效應(yīng)傳感器還可以通過在設(shè)備的有效區(qū)域后面放置一個小的永久“偏置”磁鐵來檢測鐵磁材料，如鐵和鋼。傳感器現(xiàn)在處于永久和靜態(tài)磁場中，通過引入含鐵材料對該磁場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(jù)設(shè)備的類型，無論是數(shù)字還是線性，有許多不同的方法可將霍爾效應(yīng)傳感器連接到電氣和電子電路。一個非常簡單且易于構(gòu)造的示例是使用如下所示的發(fā)光二極管。

 

位置檢測器

 

 

當(dāng)沒有磁場存在時，該正面位置檢測器將“關(guān)閉”（0高斯）。當(dāng)永磁體南極（正高斯）垂直向霍爾效應(yīng)傳感器的有效區(qū)域移動時，器件變?yōu)?ldquo;ON”并點(diǎn)亮LED。一旦切換為“ON”，霍爾效應(yīng)傳感器就會保持“ON”狀態(tài)。

 

為了使設(shè)備和LED“關(guān)閉”，必須將磁場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(fù)高斯）。如果需要霍爾效應(yīng)傳感器的輸出來切換較大的電流負(fù)載，則可以用更大的功率晶體管代替LED 。

 

 

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