【導(dǎo)讀】磁傳感器是固態(tài)設(shè)備，它們變得越來(lái)越流行，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜谠S多不同類(lèi)型的應(yīng)用，例如感測(cè)位置，速度或定向運(yùn)動(dòng)。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(wú)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(dòng)，灰塵和水的影響。
磁傳感器將磁或磁編碼信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便通過(guò)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(lái)越流行，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜谠S多不同類(lèi)型的應(yīng)用，例如感測(cè)位置，速度或定向運(yùn)動(dòng)。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(wú)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(dòng)，灰塵和水的影響。
磁傳感器的主要用途之一是用于感測(cè)位置，距離和速度的汽車(chē)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(chē)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(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輪速度檢測(cè)（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(chǎng)，一種類(lèi)型的磁傳感器，其輸出信號(hào)是其周?chē)艌?chǎng)密度的函數(shù)，稱(chēng)為霍爾效應(yīng)傳感器。
霍爾效應(yīng)傳感器是由外部磁場(chǎng)激活的設(shè)備。我們知道磁場(chǎng)有兩個(gè)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(hào)是器件周?chē)艌?chǎng)密度的函數(shù)。當(dāng)傳感器周?chē)拇磐芏瘸^(guò)某個(gè)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器檢測(cè)到它并產(chǎn)生稱(chēng)為霍爾電壓V H的輸出電壓。請(qǐng)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(guò)自身連續(xù)的電流。當(dāng)器件放置在磁場(chǎng)中時(shí)，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(dòng)是它們經(jīng)過(guò)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(dòng)側(cè)邊時(shí)，通過(guò)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(guò)半導(dǎo)體材料的運(yùn)動(dòng)受到與其成直角的外部磁場(chǎng)的影響，并且這種效果在扁平矩形材料中更大。
通過(guò)使用磁場(chǎng)產(chǎn)生可測(cè)量電壓的效果被稱(chēng)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(shì)差的磁通線必須垂直，（90 ø到的電流的流動(dòng)），并按照正確的極性，通常一個(gè)南極的。
霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類(lèi)型和磁場(chǎng)大小的信息。例如，南極會(huì)導(dǎo)致器件產(chǎn)生電壓輸出，而北極則無(wú)效。通常，當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器和開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開(kāi)路狀態(tài)）。它們僅在經(jīng)受足夠強(qiáng)度和極性的磁場(chǎng)時(shí)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(chēng)為霍爾電壓，（V H））與通過(guò)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度（輸出αH ）成正比 。這個(gè)輸出電壓可以非常小，即使受到強(qiáng)磁場(chǎng)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(guò)內(nèi)置直流放大器，邏輯開(kāi)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(chǎng)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(hào)直接取自運(yùn)算放大器的輸出，輸出電壓與通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)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(chǎng)而增加，并且隨著弱磁場(chǎng)而減小。在線性輸出霍爾效應(yīng)傳感器中，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，放大器的輸出信號(hào)也會(huì)增加，直到它開(kāi)始飽和電源施加的限制。任何額外的磁場(chǎng)增加都不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響，但會(huì)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(guò)霍爾傳感器的磁通量超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，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(méi)有任何類(lèi)型的接觸反彈。當(dāng)傳感器移入和移出磁場(chǎng)時(shí)，這種內(nèi)置滯后消除了輸出信號(hào)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(lèi)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(gè)正磁場(chǎng)（南極）來(lái)操作它們，一個(gè)負(fù)磁場(chǎng)（北極）釋放它們，而單極傳感器只需要一個(gè)磁性南極來(lái)操作和釋放它們進(jìn)出磁場(chǎng)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(dòng)能力非常小，大約10到20mA。對(duì)于大電流負(fù)載，將一個(gè)集電極開(kāi)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(kāi)關(guān)工作，只要施加的磁通密度高于“ON”預(yù)設(shè)點(diǎn)，就會(huì)使輸出端短接到地。
輸出開(kāi)關(guān)晶體管可以是開(kāi)放式發(fā)射極晶體管，開(kāi)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(dòng)許多負(fù)載，包括繼電器，電動(dòng)機(jī)，LED和燈。
霍爾效應(yīng)應(yīng)用
霍爾效應(yīng)傳感器由磁場(chǎng)激活，并且在許多應(yīng)用中，該裝置可以由連接到移動(dòng)軸或裝置的單個(gè)永磁體操作。有許多不同類(lèi)型的磁鐵運(yùn)動(dòng)，例如“正面”，“側(cè)面”，“推拉”或“推 - 推”等感應(yīng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于每種類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)度的磁體，其對(duì)于所需的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大的場(chǎng)強(qiáng)變化。有運(yùn)動(dòng)的用于檢測(cè)磁場(chǎng)幾個(gè)可能的路徑，和下面是兩個(gè)使用單個(gè)磁體更常見(jiàn)的感測(cè)配置的：頭接通檢測(cè)和側(cè)身檢測(cè)。
正面檢測(cè)
顧名思義，“正面檢測(cè)”要求磁場(chǎng)垂直于霍爾效應(yīng)傳感裝置，并且為了檢測(cè)，它直接朝向活動(dòng)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(hào)V H，其在線性裝置中表示磁場(chǎng)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(chǎng)越近，因此磁場(chǎng)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(chǎng)和負(fù)磁場(chǎng)?？梢允狗蔷€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(cè)。
側(cè)向檢測(cè)
第二傳感配置是“側(cè)向檢測(cè)”。這需要以橫向運(yùn)動(dòng)的方式將磁鐵移過(guò)霍爾元件的表面。
側(cè)向或滑動(dòng)通過(guò)檢測(cè)是用于檢測(cè)磁場(chǎng)的存在，因?yàn)樗七^(guò)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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是有用的。
取決于磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)傳感器的零場(chǎng)中心線時(shí)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(dòng)檢測(cè)，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(dòng)，污垢或油，例如汽車(chē)應(yīng)用?；魻栃?yīng)器件也可用于電流檢測(cè)。
當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生圓形電磁場(chǎng)。通過(guò)將霍爾傳感器放置在導(dǎo)體旁邊，可以從產(chǎn)生的磁場(chǎng)測(cè)量從幾毫安到數(shù)千安培的電流，而無(wú)需大型或昂貴的變壓器和線圈。
除了檢測(cè)磁鐵和磁場(chǎng)的存在與否，霍爾效應(yīng)傳感器還可以通過(guò)在設(shè)備的有效區(qū)域后面放置一個(gè)小的永久“偏置”磁鐵來(lái)檢測(cè)鐵磁材料，如鐵和鋼。傳感器現(xiàn)在處于永久和靜態(tài)磁場(chǎng)中，通過(guò)引入含鐵材料對(duì)該磁場(chǎng)的任何變化或干擾都將被檢測(cè)到，其靈敏度可能低至mV / G.
根據(jù)設(shè)備的類(lèi)型，無(wú)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(gè)非常簡(jiǎn)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(cè)器
當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)存在時(shí)，該正面位置檢測(cè)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(dòng)時(shí)，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(huì)保持“ON”狀態(tài)。
為了使設(shè)備和LED“關(guān)閉”，必須將磁場(chǎng)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(lái)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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