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霍爾傳感器原理
霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用�；魻杺鞲衅饕曰魻栃獮槠涔ぷ骰A，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器�；魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運輸和日常生活中有著(zhù)非常廣泛的應用。
一、霍爾效應霍爾元件 霍爾傳感器
(一)霍爾效應
如圖1所示，在半導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強度為B的勻強磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓，
它們之間的關(guān)系為其中d 為薄片的厚度，k稱(chēng)為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關(guān)。
上述效應稱(chēng)為霍爾效應，它是德國物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現的。
(二)霍爾元件
根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場(chǎng)敏感、結構簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應用。
(三)霍爾傳感器
由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱(chēng)之為霍爾傳感器。
霍爾傳感器也稱(chēng)為霍爾集成電路，其外形較小，如圖2所示，是其中一種型號的外形圖。
二、霍爾傳感器的分類(lèi)
霍爾傳感器分為線(xiàn)性型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器兩種。
(一)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。
(二)開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數字量。
三、霍爾傳感器的特性
(一)線(xiàn)性型霍爾傳感器的特性
輸出電壓與外加磁場(chǎng)強度呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖3所示，可見(jiàn)，在B1～B2的磁感應強度范圍內有較好的線(xiàn)性度，磁感應強度超出此范圍時(shí)則呈現飽和狀態(tài)。
(二)開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的特性
如圖4所示，其中BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應強度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應強度。
當外加的磁感應強度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop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�。Bop與BRP之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為可靠。
另外還有一種“鎖鍵型”(或稱(chēng)“鎖存型”)開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖5所示。
當磁感應強度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bop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強度達到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。
四、霍爾傳感器的應用
按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉變成電學(xué)量來(lái)進(jìn)行檢測和控制。
(一)線(xiàn)性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如：
1.電流傳感器
由于通電螺線(xiàn)管內部存在磁場(chǎng)，其大小與導線(xiàn)中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場(chǎng)，從而確定導線(xiàn)中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，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，標準圓環(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輸出。
2.位移測量
如圖7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線(xiàn)性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。
如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖8所示，是按這一原理制成的力傳感器。
(二)開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉數、轉速、風(fēng)速、流速、接近開(kāi)關(guān)、關(guān)門(mén)告知器、報警器、自動(dòng)控制電路等。
1.測轉速或轉數
如圖9所示，，在非磁性材料的圓盤(pán)邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤(pán)邊緣處，圓盤(pán)旋轉一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測出轉數(計數器)，若接入頻率計，便可測出轉速。
如果把開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動(dòng)車(chē)輛上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號的分布可以測出車(chē)輛的運動(dòng)速度。
2.各種實(shí)用電路
開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價(jià)格便宜，因此獲得極為廣泛的應用。下面列舉兩個(gè)實(shí)用電路加以說(shuō)明：
電路1 防盜報警器
如圖10所示，將小磁鐵固定在門(mén)的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門(mén)框的邊緣上，讓兩者靠近，即門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平，當門(mén)被非法撬開(kāi)時(shí)，霍爾傳感器輸出端3為高電平，非門(mén)輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發(fā)出報警聲音。
電路2 公共汽車(chē)門(mén)狀態(tài)顯示器
使用霍爾傳感器，只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車(chē)門(mén)是否關(guān)好的指示器，例如公共汽車(chē)的三個(gè)門(mén)必須關(guān)閉，司機才可開(kāi)車(chē)。電路如圖11所示，三片開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車(chē)的三個(gè)門(mén)框上，在車(chē)門(mén)適當位置各固定一塊磁鋼，當車(chē)門(mén)開(kāi)著(zhù)時(shí)，磁鋼遠離霍爾開(kāi)關(guān)，輸出端為高電平。若三個(gè)門(mén)中有一個(gè)未關(guān)好，則或非門(mén)輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門(mén)未關(guān)好，若三個(gè)門(mén)都關(guān)好，則或非門(mén)輸出為高電平，綠燈亮，表示車(chē)門(mén)關(guān)好，司機可放心開(kāi)車(chē)。
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