霍尔传感器（A3144）

出自嵌入式大讲堂

霍尔效应

如图1所示：

 一块长为l，宽为b，厚度为d的N型半导体薄片（称为霍尔基片），沿基片长度通过电流I（激励电流或控制电流）
在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B，则半导体中的载流子电子要受到洛伦磁力F的作用
电荷会受到力F的作用（运动方向利用左手定则判断）电子被推向半导体的一侧，并在该侧面积累负电荷，
而在另一侧面积累正电荷，这样，在基片两侧面间建立起静电场，电荷又受到电场力F’的作用，且：
F'阻止电子继续偏移，当F'=F时，电荷积累处于动态平衡，
即：基片宽度两侧面间由于电荷积累形成的电位差 UH，称为霍尔电势，它与霍尔电场强度Eh的关系为:
UH=bEh

由上式可见，霍尔电势正比于激励电流和磁感应强度，比例系数KH表征霍尔元件的特性，称为霍尔元件的灵敏度。
上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、
输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
最基本的霍尔单元如下图所示
如果没有外界磁场，那么VHALL的值基本上为0
如果有磁通量穿过霍尔单元，那么VHALL的值会随磁通量产生线性变化（如下图）
 

霍尔传感器

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。
霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如下图所示，是其中一种型号的外形图

霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种:
1.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。

2.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。
配合差分放大器使用 霍尔元件产生的电势差很小，一般在毫伏量级，所以在使用时要进行一定的放大处理（如下图）

配合触发器用 在上述电路的基础上，再添加一个施密特触发器用作阈值检测，则可以使霍尔器件输出数字信号,结构图如下：
集成场效应管（具体见场效应管） 在上述电路的基础上添加一个场效应管，可以增强霍尔开关的驱动能力（可以直接驱动LED、继电器等）

霍尔传感器的特性

1.线性型霍尔传感器的特性输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，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。

例如：A1374是线性霍尔传感器

2.开关型霍尔传感器的特性
如图4所示，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。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如下右图所示。
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。

例如：A3144是开关霍尔传感器

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人
为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以
及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。

1.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。
霍尔电流传感器工作原理如图6所示，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。
2位移测量
如图7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在
Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。
如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。

开关型霍尔传感器

开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。
1．测转速或转数
　如图所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，
从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。
根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。
2．各种实用电路
开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：
电路1 防盗报警器
如图10所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出
端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。
电路2 公共汽车门状态显示器
使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。
电路如图11所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍
尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或
非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。