霍尔传感器的工作原理、分类及应用

霍尔传感器属于磁传感器类别。它能够探测磁场的存在及其变动，适用于众多涉及磁场的场景。这种传感器的工作原理基于霍尔效应，由霍尔元件及其配套电路构成，是一个集成的感应装置。霍尔传感器在工业制造、交通领域以及人们的日常生活中都展现出了极其广泛的应用。霍尔效应的霍尔元件与霍尔传感器，如图1所示，当在半导体薄片的两端通入控制电流I，并在其垂直方向施加磁感应强度为B的均匀磁场时，于电流与磁场垂直的方向上，会形成电势差为UH的霍尔电压。这种电势差与电流、磁感应强度以及薄片厚度d和霍尔系数k之间存在一定的关系。其中，霍尔系数k的数值取决于薄片的材料。该现象被称作霍尔效应，德国物理学家霍尔在1879年通过研究载流导体在磁场中的受力特性时首次揭示了这一现象。霍尔元件，顾名思义，是依据霍尔效应原理，采用半导体材料制作而成的元件。霍尔传感器以其对磁场的高灵敏度、简洁的结构、紧凑的体积、宽广的频率响应范围、显著的输出电压变化以及较长的使用寿命等特性，因此在测量、自动化、计算机以及信息技术等多个领域得到了广泛的运用。此外，鉴于霍尔元件产生的电势差相对较小，通常会将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路以及稳压电源电路等集成于同一芯片之上，这样的集成组件便被称为霍尔传感器。霍尔传感器亦称作霍尔集成电路，其体积相对较小开yunapp体育官网入口下载手机版，如图2所展示，为某一型号的具体外形。霍尔传感器主要分为两大类：线性型与开关型。首先，线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器以及射极跟随器构成，其输出为模拟信号。开关式霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器以及输出级构成，其输出为数字信号。关于霍尔传感器的特性，以下进行详细阐述：首先，线性型霍尔传感器的输出电压与施加的外部磁场强度之间存在线性关联，如图3所示。在此图中，我们可以观察到，在磁感应强度B1至B2的范围内，该传感器具有良好的线性度。然而，当磁感应强度超过此范围时，传感器将进入饱和状态。如图4所示，在开关型霍尔传感器中，BOP代表使开关处于“开启”状态的磁感应强度阈值，而BRP则是指开关转为“关闭”状态的磁感应强度阈值。一旦外加磁感应强度超越Bop这一动作点，传感器便输出低电平信号；若磁感应强度回落至Bop以下，传感器的电平输出保持不变；直至磁感应强度降至BRP这一释放点，传感器才会从低电平状态瞬间转变为高电平。Bop与BRP之间的时间差使得开关的动作变得更加稳定可靠。此外，还存在一种被称为“锁键型”或“锁存型”的霍尔传感器开关，其具体特性在图5中有所展示。当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出会从高电平瞬间转变为低电平；在外磁场消失之后，输出状态将维持原状，即进入锁存状态。要想改变这种状态，必须施加一个反向的磁感应强度，直到达到BRP值。至于霍尔传感器的应用，根据检测对象的特性，可以分为直接应用和间接应用两大类。直接对受检对象的磁场或磁特性进行检测的是前者，而后者则是针对受检对象身上人为设定的磁场进行检测，该磁场作为被检测信息的媒介，借助它，众多非电、非磁的物理量，比如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态变化的时间等，得以转化为电学量以实现检测与控制。线性型霍尔传感器主要应用于多种物理量的测量。电流传感器，因为通电螺线管内部产生的磁场强度与通过导线的电流成正比开元ky888棋牌官网版，所以我们可以通过霍尔传感器来测量磁场强度，进而确定导线中的电流值。基于这一原理，霍尔电流传感器得以设计并制造。它的主要优势在于，它不会与被测电路产生电接触，不会干扰被测电路，也不会消耗被测电源的功率，尤其适用于大电流的传感应用。霍尔电流传感器的运作机制如图6所展示，其标准圆形铁芯上设有一个缝隙，将霍尔传感器置于此缝隙内，圆环上布满了线圈，电流流经线圈时会产生磁场，进而霍尔传感器会输出信号。位移测量方面，如图7所展示，两块永久磁铁以相同极性相对排列，线性型霍尔传感器被放置于其间，此时其磁感应强度降至零，该位置可视为位移的起始点。随着霍尔传感器在Z轴方向上发生位移，传感器会产生电压输出，且该电压值与位移量呈正比关系。将拉力与压力等参数转化为位移后，我们便能够准确测量其大小，如图8所示，这正是力传感器的制作原理。此外，开关型霍尔传感器在测量转速、风速、流速、用于接近开关、门状态指示器、警报装置以及自动控制电路等方面有着广泛的应用。在非磁性材料的圆盘边缘粘贴磁钢，如图9所示。将霍尔传感器置于圆盘边缘附近。当圆盘旋转一周时，霍尔传感器将输出一个脉冲。通过计数器可以测得转数。若连接频率计，则可进一步测得转速。若将开关式霍尔感应器按照既定位置有序地安置于轨道之上，当搭载永磁体的移动车辆穿越其旁时，我们便能在测量电路中捕捉到一系列脉冲信号。通过分析这些脉冲信号的分布情况，我们能够计算出车辆的运动速度。此外，开关式霍尔感应器因其体积小巧、电压适应范围广泛、性能稳定且价格低廉，因而被广泛应用于各类实际电路中。以下电路实例可供参考：首先，我们来看电路1，即防盗报警器。如图10展示，将磁铁牢固地安装在门沿，同时将霍尔传感器固定在门框边缘，二者相互接近。在门关闭状态下，磁铁与霍尔传感器接触，导致输出端3处于低电平。然而，一旦门被非法打开，霍尔传感器输出端3变为高电平，非门输出端Y则转为低电平。此时，继电器J被激活，Ja触点闭合，蜂鸣器获得电源，进而发出报警声。电路2，公共汽车门状态显示装置，通过霍尔传感器的应用，仅需额外配置一块微型永磁体，便能轻松实现车门闭合状态的指示功能。例如，在公共汽车中，为确保行车安全，三个车门均需完全关闭。具体电路配置如图11所示，三枚开关型霍尔传感器被分别安装在车门框上，而在车门适宜的位置固定了磁钢。车门开启时，磁钢与霍尔开关保持一定距离开yun体育官网入口登录app，此时输出端呈现高电平状态。若其中一门未妥善闭合，或非门将呈现低电平输出，红灯随之点亮，以此提示尚有门未完全关闭；而若三门均已严丝合缝，或非门将输出高电平，此时绿灯亮起，意味着车门均已锁紧，司机便可安心驾驶。