在結(jié)束關(guān)于磁學(xué)的討論之前，我們不能不提到磁傳感器，尤其是非常常用的霍爾效應(yīng)傳感器。

霍爾效應(yīng)傳感器是一種磁傳感器，可用于檢測(cè)由永磁體或電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，其輸出與檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

磁傳感器將磁性或磁性編碼的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，供電子電路處理，在傳感器和換能器教程中，我們討論了感應(yīng)式接近傳感器和LDVT以及螺線管和繼電器輸出執(zhí)行器。

磁傳感器是固態(tài)器件，正變得越來越流行，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜谠S多不同類型的應(yīng)用，如感測(cè)位置、速度或方向運(yùn)動(dòng)。

它們也是電子設(shè)計(jì)師的熱門選擇，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)，并且作為密封的霍爾效應(yīng)器件，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汽車系統(tǒng)中的位置、距離和速度感測(cè)。例如，用于火花塞點(diǎn)火角度的曲軸角度位置、用于安全氣囊控制的汽車座椅和安全帶位置或用于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的車輪速度檢測(cè)。

磁傳感器設(shè)計(jì)用于響應(yīng)各種不同應(yīng)用中的廣泛正負(fù)磁場(chǎng)，其中一種輸出信號(hào)是周圍磁場(chǎng)密度函數(shù)的磁傳感器稱為霍爾效應(yīng)傳感器。

霍爾效應(yīng)傳感器是由外部磁場(chǎng)激活的器件。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）。

霍爾效應(yīng)傳感器的輸出信號(hào)是器件周圍磁場(chǎng)密度的函數(shù)。當(dāng)傳感器周圍的磁通密度超過某個(gè)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)到它并生成稱為霍爾電壓VH的輸出電壓?？紤]下圖。

霍爾效應(yīng)傳感器原理

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矩形p型半導(dǎo)體材料（如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs））組成，通過自身傳遞連續(xù)電流。

當(dāng)器件放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通線對(duì)半導(dǎo)體材料施加力，使電荷載流子（電子和空穴）偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體板的兩側(cè)。電荷載流子的這種運(yùn)動(dòng)是它們通過半導(dǎo)體材料時(shí)經(jīng)歷的磁力的結(jié)果。

當(dāng)這些電子和空穴橫向移動(dòng)時(shí)，由于這些電荷載流子的積累，半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間會(huì)產(chǎn)生電位差。然后，電子通過半導(dǎo)體材料的運(yùn)動(dòng)受到垂直于它的外部磁場(chǎng)的影響，這種效應(yīng)在扁平矩形材料中更為顯著。

通過使用磁場(chǎng)產(chǎn)生可測(cè)量電壓的效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，以埃德溫·霍爾的名字命名，他在19世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)，其基本物理原理是洛倫茲力。為了在器件上產(chǎn)生電位差，磁通線必須垂直于（90°）電流流動(dòng)，并且具有正確的極性，通常是南極。

霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類型和磁場(chǎng)強(qiáng)度的信息。例如，南極會(huì)導(dǎo)致器件產(chǎn)生電壓輸出，而北極則沒有影響。通常，霍爾效應(yīng)傳感器和開關(guān)在沒有磁場(chǎng)存在時(shí)設(shè)計(jì)為“關(guān)閉”（開路狀態(tài)）。它們只有在受到足夠強(qiáng)度和極性的磁場(chǎng)時(shí)才會(huì)“打開”（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（VH），與通過半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比（輸出∝ H）。

即使受到強(qiáng)磁場(chǎng)作用，該輸出電壓也可能非常小，只有幾微伏，因此大多數(shù)市售霍爾效應(yīng)器件都內(nèi)置了直流放大器、邏輯開關(guān)電路和電壓調(diào)節(jié)器，以提高傳感器的靈敏度、滯后和輸出電壓。

這也使得霍爾效應(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

霍爾效應(yīng)傳感器具有線性或數(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，輸出電壓與通過霍爾傳感器的磁場(chǎng)成正比。該輸出霍爾電壓給出為：

霍爾效應(yīng)電壓

其中：

VH是霍爾電壓，單位為伏特

RH是霍爾效應(yīng)系數(shù)

I是通過傳感器的電流，單位為安培

t是傳感器的厚度，單位為毫米

B是磁通密度，單位為特斯拉

霍爾效應(yīng)線性電壓

線性或模擬傳感器提供連續(xù)電壓輸出，隨著強(qiáng)磁場(chǎng)的增加而增加，隨著弱磁場(chǎng)的增加而減少。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，直到受到電源限制而開始飽和。磁場(chǎng)的任何額外增加都不會(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)字輸出傳感器具有連接到運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器，內(nèi)置滯后。當(dāng)通過霍爾傳感器的磁通量超過預(yù)設(shè)值時(shí)，器件的輸出會(huì)迅速?gòu)摹瓣P(guān)閉”狀態(tài)切換到“打開”狀態(tài)，沒有任何類型的接觸反彈。

這種內(nèi)置滯后消除了傳感器進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)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)，“打開”和“關(guān)閉”。

有兩種基本類型的數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器：雙極型和單極型。雙極傳感器需要正磁場(chǎng)（南極）來操作它們，需要負(fù)磁場(chǎng)（北極）來釋放它們，而單極傳感器只需要單個(gè)磁南極來操作和釋放它們，因?yàn)樗鼈冞M(jìn)出磁場(chǎng)。

大多數(shù)霍爾效應(yīng)器件不能直接切換大電負(fù)載，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲵?qū)動(dòng)能力非常小，大約為10到20mA。對(duì)于大電流負(fù)載，輸出端添加了一個(gè)開集電極（電流吸收）NPN晶體管。

該晶體管在其飽和區(qū)工作，作為NPN吸收開關(guān)，當(dāng)施加的磁通密度高于“打開”預(yù)設(shè)點(diǎn)時(shí)，將輸出端子短路到地。

輸出開關(guān)晶體管可以是開射極晶體管、開集電極晶體管配置或兩者都提供推挽輸出類型配置，可以吸收足夠的電流直接驅(qū)動(dòng)許多負(fù)載，包括繼電器、電機(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，在許多應(yīng)用中，可以通過連接到移動(dòng)軸或設(shè)備的單個(gè)永磁體來操作該設(shè)備。有許多不同類型的磁體運(yùn)動(dòng)，例如“正面”、“側(cè)面”、“推拉”或“推推”等感測(cè)運(yùn)動(dòng)。

無論使用哪種類型的配置，為了確保最大靈敏度，磁通線必須始終垂直于器件的感測(cè)區(qū)域，并且必須具有正確的極性。

此外，為了確保線性，需要高場(chǎng)強(qiáng)磁體，以在所需運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生大的場(chǎng)強(qiáng)變化。有幾種可能的路徑用于檢測(cè)磁場(chǎng)，以下是使用單個(gè)磁體的兩種更常見的感測(cè)配置：正面檢測(cè)和側(cè)面檢測(cè)。

正面檢測(cè)

正面霍爾效應(yīng)感測(cè)

顧名思義，“正面檢測(cè)”要求磁場(chǎng)垂直于霍爾效應(yīng)感測(cè)器件，并且為了檢測(cè)，它直接朝向傳感器的活動(dòng)面接近。一種“正面”方法。

這種正面方法生成輸出信號(hào)VH，在線性器件中，該信號(hào)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，因此越強(qiáng)，輸出電壓越大，反之亦然。

線性器件還可以區(qū)分正負(fù)磁場(chǎng)?？梢栽O(shè)置非線性器件在遠(yuǎn)離磁體的預(yù)設(shè)氣隙距離處觸發(fā)輸出“打開”，以指示位置檢測(cè)。

側(cè)面檢測(cè)

側(cè)面霍爾效應(yīng)感測(cè)

第二種感測(cè)配置是“側(cè)面檢測(cè)”。這需要將磁體橫向移動(dòng)穿過霍爾效應(yīng)元件的表面。

側(cè)面或滑動(dòng)檢測(cè)可用于檢測(cè)磁場(chǎng)的存在，因?yàn)樗怨潭ǖ臍庀毒嚯x穿過霍爾元件的表面，例如，計(jì)數(shù)旋轉(zhuǎn)磁體或電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)磁場(chǎng)通過傳感器的零場(chǎng)中心線時(shí)的位置，可以生成表示正負(fù)輸出的線性輸出電壓。這允許方向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，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，特別是作為接近傳感器。它們可以代替光學(xué)和光傳感器，在環(huán)境條件包括水、振動(dòng)、污垢或油的情況下使用，例如在汽車應(yīng)用中?；魻栃?yīng)器件也可用于電流感測(cè)。

我們從之前的教程中知道，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生圓形電磁場(chǎng)。通過將霍爾傳感器放置在導(dǎo)體旁邊，可以從生成的磁場(chǎng)中測(cè)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(cè)磁體和磁場(chǎng)的存在或不存在外，霍爾效應(yīng)傳感器還可以通過將小型永磁“偏置”磁體放置在器件的活動(dòng)區(qū)域后面來檢測(cè)鐵磁材料（如鐵和鋼）。傳感器現(xiàn)在位于永久和靜態(tài)磁場(chǎng)中，任何通過引入鐵磁材料對(duì)該磁場(chǎng)的改變或干擾都將被檢測(cè)到，靈敏度可低至mV/G。

根據(jù)器件類型（無論是數(shù)字還是線性），有許多不同的方法將霍爾效應(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)建的示例是使用發(fā)光二極管，如下所示。

位置檢測(cè)器

霍爾效應(yīng)位置指示器

當(dāng)沒有磁場(chǎng)存在時(shí)（0高斯），該正面位置檢測(cè)器將“關(guān)閉”。當(dāng)永磁體的南極（正高斯）垂直朝向霍爾效應(yīng)傳感器的活動(dòng)區(qū)域移動(dòng)時(shí)，器件“打開”并點(diǎn)亮LED。一旦“打開”，霍爾效應(yīng)傳感器保持“打開”。

要關(guān)閉器件并因此關(guān)閉LED，必須將磁場(chǎng)減少到低于單極傳感器的釋放點(diǎn)，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更大的電流負(fù)載，可以用更大的功率晶體管替換LED。