霍爾傳感器霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。對(duì)于圖2所示的半導(dǎo)體試樣，若在X方向通以電流Is，在Z方向加磁場(chǎng)B，則在Y方向即試樣A，A′電極兩側(cè)就開(kāi)始聚積異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決定于測(cè)試樣品的電類(lèi)型。顯然，該電場(chǎng)是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，

當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力eEH與洛侖茲力相等時(shí)，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故有

⑴

其中EH為霍爾電場(chǎng)，V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，則

⑵

由⑴、⑵兩式可得

⑶

即霍爾電壓VH（A、A′電極之間的電壓）與ISB乘積正比與試樣厚度d成反比。比例系數(shù) 稱(chēng)為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，只要測(cè)出 VH（伏）以及知道IIs（安）、B（高斯）和d（厘 米）可按下式計(jì)算RH（厘米3/庫(kù)侖）

磁場(chǎng)中有一個(gè)霍爾半導(dǎo)體片，恒定電流I從A到B通過(guò)該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過(guò)霍爾半導(dǎo)體時(shí)向一側(cè)偏移，使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。

霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個(gè)毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號(hào)。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機(jī)械的方法來(lái)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。下圖1所示的方法是用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪作為控制磁通量的開(kāi)關(guān)，當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時(shí)，磁場(chǎng)偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅(qū)動(dòng)軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點(diǎn)火正時(shí)傳感器?；魻栃?yīng)傳感器屬于被動(dòng)型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點(diǎn)使它能檢測(cè)轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

霍爾效應(yīng)傳感器

1-霍爾半導(dǎo)體元件 2-永久磁鐵 3-擋隔磁力線(xiàn)的葉片

由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢(shì)的大小取決于：Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；I為霍爾元件的偏置電流；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。

對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流 I 固定時(shí)，UH將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。

一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流 I 的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說(shuō)，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的鍍膜合金；這類(lèi)傳感器的霍爾電勢(shì)較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。

在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。

根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

霍爾傳感器分為線(xiàn)型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器兩種。

（一）開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱(chēng)為鎖鍵型霍爾傳感器。

（二）線(xiàn)性型霍爾傳感器由霍爾元件、線(xiàn)性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

線(xiàn)性霍爾傳感器又可分為開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱(chēng)零磁通霍爾傳感器。線(xiàn)性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測(cè)量。

霍爾傳感器開(kāi)關(guān)型

如圖4所示，其中Bnp為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bnp時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bnp以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健np與BRP之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為可靠。

霍爾傳感器鎖鍵型

如圖5所示，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bnp時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，而在外磁?chǎng)撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。

霍爾傳感器線(xiàn)性型

輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖3所示，可見(jiàn)，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線(xiàn)性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

開(kāi)環(huán)式電流傳感器

由于通電螺線(xiàn)管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線(xiàn)中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線(xiàn)中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。

霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線(xiàn)圈，當(dāng)電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。

閉環(huán)式電流傳感器

磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器，也稱(chēng)補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。

磁平衡式電流傳感器的具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線(xiàn)上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng) ，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)， 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。

1、 霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無(wú)法與其比擬的，它一般只適用于測(cè)量50Hz正弦波；

2、 原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，隔離電壓可達(dá)9600Vrms；

3、精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測(cè)量；

4、線(xiàn)性度好：優(yōu)于0.1%；

5、寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時(shí)間可小于1μs；但是，電壓傳感器帶寬較窄，一般在15kHz以?xún)?nèi)，6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時(shí)間約500uS，帶寬約700Hz。

6、測(cè)量范圍：霍爾傳感器為系列產(chǎn)品，電流測(cè)量可達(dá)50KA，電壓測(cè)量可達(dá)6400V。

霍爾電流傳感器使用時(shí)，需遵循以下注意事項(xiàng)：

1、為了得到較好的動(dòng)態(tài)特性和靈敏度，必須注意原邊線(xiàn)圈和副邊線(xiàn)圈的耦合，要耦合得好，最好用單根導(dǎo)線(xiàn)且導(dǎo)線(xiàn)完全填滿(mǎn)霍爾傳感器模塊孔徑。

2、使用中當(dāng)大的直流電流流過(guò)傳感器原邊線(xiàn)圈，且次級(jí)電路沒(méi)有接通電源|穩(wěn)壓器或副邊開(kāi)路，則其磁路被磁化，而產(chǎn)生剩磁，影響測(cè)量精度（故使用時(shí)要先接通電源和測(cè)量端M），發(fā)生這種情況時(shí)，要先進(jìn)行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線(xiàn)圈中通一同樣等級(jí)大小的交流電流并逐漸減小其值。

3、霍爾傳感器都具有較強(qiáng)的抗外磁場(chǎng)干擾能力，但是，為了獲得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，當(dāng)有較強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾時(shí)，要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)解決。通常方法有：

• 調(diào)整模塊方向，使外磁場(chǎng)對(duì)模塊的影響最??；

• 在模塊上加罩一個(gè)抗磁場(chǎng)的金屬屏蔽罩。

4、測(cè)量的最佳精度是在額定值下得到的，當(dāng)被測(cè)電流遠(yuǎn)低于額定值時(shí)，要獲得最佳精度，原邊可使用多匝，但是，需要注意導(dǎo)線(xiàn)的空間位置（參照第一條）。

（1）電流傳感器必須根據(jù)被測(cè)電流的額定有效值適當(dāng)選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測(cè)電流長(zhǎng)時(shí)間超額，會(huì)損壞末極功放管（指磁補(bǔ)償式），一般情況下，2倍的過(guò)載電流持續(xù)時(shí)間不得超過(guò)1分鐘。

（2）電壓傳感器必須按產(chǎn)品說(shuō)明在原邊串入一個(gè)限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過(guò)壓持續(xù)時(shí)間不得超過(guò)1分鐘。

（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當(dāng)被測(cè)電流高于電流傳感器的額定值時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)大的傳感器；當(dāng)被測(cè)電壓高于電壓傳感器的額定值時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整限流電阻。當(dāng)被測(cè)電流低于額定值1/2以下時(shí)，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數(shù)的辦法。

（4）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在1KV及以下交流系統(tǒng)和1.5KV及以下直流系統(tǒng)中，6KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在2KV及以下交流系統(tǒng)和2.5KV及以下直流系統(tǒng)中，注意不要超壓使用。

（5）在要求得到良好動(dòng)態(tài)特性的裝置上使用時(shí)，最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數(shù)，均會(huì)影響動(dòng)態(tài)特性。

（6）在大電流直流系統(tǒng)中使用時(shí)，因某種原因造成工作電源開(kāi)路或故障，則鐵心產(chǎn)生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流并逐漸減小其值。

（7）傳感器抗外磁場(chǎng)能力為：距離傳感器5～10cm一個(gè)超過(guò)傳感器原邊電流值2倍的電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾可以抵抗。三相大電流布線(xiàn)時(shí)，相間距離應(yīng)大于5～10cm。

（8）為了使傳感器工作在最佳測(cè)量狀態(tài)，應(yīng)使用圖1－10介紹的簡(jiǎn)易典型穩(wěn)壓電源。

（9）傳感器的磁飽和點(diǎn)和電路飽和點(diǎn)，使其有很強(qiáng)的過(guò)載能力，但過(guò)載能力是有時(shí)間限制的，試驗(yàn)過(guò)載能力時(shí)，2倍以上的過(guò)載電流不得超過(guò)1分鐘。

（10）原邊電流母線(xiàn)溫度不得超過(guò)85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶(hù)有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。

霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器主要適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的電壓和電流測(cè)量。由于傳感器一般不提供角差指標(biāo)，對(duì)于需要準(zhǔn)確測(cè)量交流電功率的場(chǎng)合，應(yīng)對(duì)其角差指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，這一點(diǎn)需特別注意。工頻電量測(cè)量可用互感器替代，變頻電量測(cè)量可用電壓、電流組合式的變頻功率傳感器替代。

霍爾傳感器技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)

霍爾傳感器技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，包括動(dòng)力、車(chē)身控制、牽引力控制以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。為了滿(mǎn)足不同系統(tǒng)的需要，霍爾傳感器有開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。

霍爾傳感器可以采用金屬和半導(dǎo)體等制成，效應(yīng)質(zhì)量的改變?nèi)Q于導(dǎo)體的材料，材料會(huì)直接影響流過(guò)傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時(shí)，汽車(chē)工業(yè)通常使用三種半導(dǎo)體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導(dǎo)體材料當(dāng)屬砷化銦。

霍爾傳感器的形式?jīng)Q定了放大電路的不同，其輸出要適應(yīng)所控制的裝置。這個(gè)輸出可能是模擬式，如加速位置傳感器或節(jié)氣門(mén)位置傳感器，也可能是數(shù)字式。如曲軸或凸輪軸位置傳感器。

當(dāng)霍爾元件用于模擬式傳感器時(shí)，這個(gè)傳感器可以用于空調(diào)系統(tǒng)中的溫度表或動(dòng)力控制系統(tǒng)中的節(jié)氣門(mén)位置傳感器?；魻栐c微分放大器連接，放大器與NPN晶體管連接。磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸上，軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件上的磁場(chǎng)加強(qiáng)。其產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例。

當(dāng)霍爾元件用于數(shù)字信號(hào)時(shí)，例如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器或車(chē)速傳感器，必須首先改變電路?；魻栐c微分放大器連接，微分放大器與施密特觸發(fā)器連接。在這種配置中。傳感器輸出一個(gè)開(kāi)或關(guān)的信號(hào)。在多數(shù)汽車(chē)電路中，霍爾傳感器是電流吸收器或者使信號(hào)電路接地。要完成這項(xiàng)工作，需要一個(gè)NPN晶體管與施密特觸發(fā)器的輸出連接。磁場(chǎng)穿過(guò)霍爾元件，一個(gè)觸發(fā)器輪上的葉片在磁場(chǎng)和霍爾元件之間通過(guò)。

霍爾傳感器應(yīng)用于出租車(chē)計(jì)價(jià)器

霍爾傳感器在出租車(chē)計(jì)價(jià)器上的應(yīng)用：通過(guò)安裝在車(chē)輪上的霍爾傳感器A44E檢測(cè)到的信號(hào)，送到單片機(jī)，經(jīng)處理計(jì)算，送給顯示單元，這樣便完成了里程計(jì)算。檢測(cè)原理，P3.2口作為信號(hào)的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷0，車(chē)輪每轉(zhuǎn)一圈（設(shè)車(chē)輪的周長(zhǎng)是1 m），霍爾開(kāi)關(guān)就檢測(cè)并輸出信號(hào)，引起單片機(jī)的中斷，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到1 000次時(shí)，也就是1 km，單片機(jī)就控制將金額自動(dòng)增加。

每當(dāng)霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平信號(hào)就使單片機(jī)中斷一次，當(dāng)里程計(jì)數(shù)器對(duì)里程脈沖計(jì)滿(mǎn)1 000次時(shí)，就有程序?qū)?dāng)前總額累加，使微機(jī)進(jìn)入里程計(jì)數(shù)中斷服務(wù)程序中。在該程序中，需要完成當(dāng)前行駛里程數(shù)和總額的累加操作，并將結(jié)果存入里程和總額寄存器中。

霍爾電流傳感器在變頻器中的應(yīng)用

在有電流流過(guò)的導(dǎo)線(xiàn)周?chē)鷷?huì)感生出磁場(chǎng)，再用霍爾器件檢測(cè)由電流感生的磁場(chǎng),即可測(cè)出產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的電流的量值。由此就可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。因?yàn)榛魻柶骷妮敵鲭妷号c加在它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及流過(guò)其中的工作電流的乘積成比例，是一個(gè)具有乘法器功能的器件，并且可與各種邏輯電路直接接口，還可以直接驅(qū)動(dòng)各種性質(zhì)的負(fù)載。因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)用原理簡(jiǎn)單，信號(hào)處理方便，器件本身又具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以在變頻器中也發(fā)揮了非常重要的作用。

在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1μs，因此，出現(xiàn)過(guò)載短路時(shí)，在晶體管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)。

霍爾電流傳感器按其工作模式可分為直接測(cè)量式和零磁通式，在變頻器中由于需要精準(zhǔn)的控制及計(jì)算，因此選用了零磁通方式。將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過(guò)補(bǔ)償線(xiàn)圈，并令補(bǔ)償線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，若滿(mǎn)足條件IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0，這時(shí)下式成立：

Io=Is(N2/N1)

式中，Io為被測(cè)電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1為初級(jí)繞組的匝數(shù)，Is為補(bǔ)償繞組中的電流，N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)。由上式可知，達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由Is及匝數(shù)比N2/N1得到Io。

霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電流的“無(wú)電位”檢測(cè)。即測(cè)量電路不必接入被測(cè)電路即可實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，它們靠磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。因此，檢測(cè)電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)電路與被檢電路互不影響。