霍尔传感器是什么？霍尔传感器的工作原理

霍尔传感器的工作原理涉及一种基于霍尔效应的磁敏特性，这种传感器中的磁电转换元件具备电磁测量的功能，能够对磁场、电流、电功率等磁物理量和电量进行测量。

霍尔传感器的工作原理

一、霍尔传感器是什么

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏传感器。

将含有电流的物体置于磁场之中，若电流流动的方向与磁场的方向成直角，那么在垂直于磁场和电流方向的位置上，将出现一种横向的电势差，这一现象被称作霍尔效应，而由此产生的电势差则被称为霍尔电压。

利用能够显著产生霍尔效应的半导体材料制作的霍尔元件，充当霍尔传感器中的磁电转换部件，能够执行电磁量的测量任务，包括但不限于磁场、电流、电功率等磁性物理量以及电量。

霍尔元件能够借助磁场这一介质，对众多物理量进行非接触式的检测，它能够将诸如测量力、位移、振动、加速度、转速、流量等非电性质转换为可测量的电量，因而被广泛运用于工业生产、交通运输、通讯技术、自动控制系统以及家用电器等多个行业和领域。

二、霍尔传感器的工作原理

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，由霍尔元件及其相关电路构成，是一个集成的传感设备。霍尔传感器在工业制造、交通领域以及我们的日常生活中，都展现出极为广泛的应用范围。

一、霍尔效应霍尔元件 霍尔传感器

（一）霍尔效应

如图1所示开yun体育官网入口登录app，当对半导体薄片的两端施加控制电流I，同时在薄片垂直方向上引入磁感应强度为B的均匀磁场，此时，在电流与磁场垂直的平面上，便会形成电势差为UH的霍尔电压。

它们之间的关系为

在公式中，d代表薄片的具体厚度，而k则被称为霍尔系数，其数值与薄片所采用的材料特性密切相关。

这种效应被称作霍尔效应，德国物理学家霍尔在1879年进行关于载流导体在磁场中受力特性的研究时首次发现了它。

（二）霍尔元件

霍尔效应揭示了半导体材料制成的元件被称为霍尔元件。这种元件对磁场反应灵敏，结构设计简便，体积小巧，频率响应范围宽广，输出电压变化幅度大，且使用寿命较长。正因如此，它在测量、自动化、计算机以及信息技术等多个领域得到了广泛的应用。

（三）霍尔传感器

霍尔元件所形成的电压较低，因此一般会将霍尔元件与放大电路、温度调节电路以及稳压电源电路等组件整合在同一块芯片上，这样的组合被称为霍尔传感器。

霍尔传感器，亦称作霍尔集成电路，体积相对较小，如图2所展示的那样，这是一款型号的具体外观图。

二、霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

该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三个部分构成，其输出的信号为模拟形式。

该开关型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等部件构成，其输出的信号为数字形式。

三、霍尔传感器的特性

（一）线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外部磁场强度之间存在线性关联，如图3所展示，我们可以观察到，在B1至B2的磁感应强度区间内，两者关系表现出较高的线性特征；然而，当磁感应强度超出此区间后，便会出现饱和现象。

（二）开关型霍尔传感器的特性

如图4所示，我们可以观察到工作点“开”时的磁感应强度被标记为BOP，而释放点“关”时的磁感应强度则被称作BRP。

一旦磁感应强度超过动作点Bop，传感器便输出低电平信号；而当磁感应强度下降至动作点Bop之下，传感器输出的电平保持不变；直至降至释放点BRP，传感器才会从低电平状态转变为高电平。这种在Bop与BRP之间的滞后现象，有助于提高开关动作的可靠性。

此外，还存在一种被称作“锁键型”或“锁存型”的开关式霍尔传感器，其具体特性可参照图5进行了解。

一旦磁感应强度突破动作点Bop阈值，传感器输出便从高电平瞬间转变为低电平；在外部磁场被移除之后，其输出状态依然维持原状，即进入锁存状态。要想使输出电平再次发生变化，必须施加一个反向的磁感应强度，且该强度需达到BRP值。

四、霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是对受检对象自身磁场或磁性质进行直接探测开元ky888棋牌官网版，而后者则是针对受检对象身上人为设定的磁场进行检测。这个磁场作为信息的传输媒介，借助它，众多非电、非磁的物理量，诸如速度、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，从而实现检测与控制。

（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：

1．电流传感器

通电螺线管内部磁场存在，其强度与流经导线的电流成正比关系，因此，通过霍尔传感器可以准确测量磁场，进而判断导线中电流的具体数值。基于此原理，霍尔电流传感器得以设计并制造。这种传感器的显著优势在于，它无需与被测电路进行电气接触，不会对电路产生影响，也不会消耗被测电源的电能，尤其适用于大电流的传感场合。

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，将霍尔元件置入该缝隙，圆环表面布有线圈，电流流经线圈后便生成磁场开yun体育app入口登录，进而触发霍尔元件产生信号输出。

2．位移测量

如图7所示，两块永久磁铁的极性相同，并相对排列。在此布局中，线性型霍尔传感器被放置在中间位置。在此配置下，该传感器的磁感应强度降为零。这一位置可被视作位移的起始点。随着霍尔传感器在Z轴方向上发生位移，它会产生一个电压输出。该电压值与位移量呈正比关系。

将拉力和压力等参数转换为位移后，即可测定其大小，如图8所示，该力传感器正是基于这一原理设计的。

开关型霍尔传感器主要应用于测量转速、转数、风速、流速，以及作为接近开关、门关指示器、警报装置和自动控制电路的关键元件。

1．测转速或转数

如图9所示，于非磁性材料的圆盘边缘附着一块磁钢，霍尔传感器被置于圆盘边缘附近，当圆盘完成一周旋转时，霍尔传感器便会输出一个脉冲信号，据此我们可以通过计数器测量出转数，若将频率计接入其中，转速亦能被准确测定。

若将开关式霍尔传感器按照既定方案有序地安装在轨道上，一旦运行中的车辆携带的永磁体穿越其旁，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，我们能够准确计算出车辆的运动速度。

2．各种实用电路

这种开关式霍尔感应器体积小巧，适应的电压区间较广，运行稳定，成本较低，因而被广泛采用。以下将通过两个具体电路实例进行详细阐述：

电路1 防盗报警器

如图10所示，小磁铁被安装在门边沿，霍尔传感器则被固定在门框的相应位置，两者并置。在门关闭时，磁铁与霍尔传感器接触，导致输出端3呈现低电平状态。若门遭受非法破坏，霍尔传感器的输出端3将转为高电平，进而使得非门输出端Y变为低电平。此时，继电器J将启动，Ja触点闭合，蜂鸣器随之通电并发出警报声。

电路2 公共汽车门状态显示器

通过霍尔传感器的应用，仅需额外配置一块微型永磁体，便能轻易制作出车门是否闭合的指示装置。以公交车为例，其三个车门均需完全关闭，司机方可启动车辆。具体电路图见图11，其中三个开关型霍尔传感器分别被安装在车门框上，每个车门上方的适当位置都固定有一块磁铁。车门开启时，磁铁与霍尔开关保持一定距离，导致输出端呈现高电平状态。若其中一扇门未妥善关闭，或非门的输出将呈现低电平状态，红灯随之点亮，以此提示尚有门未完全关闭；而若三扇门均已妥善关闭，或非门的输出将变为高电平，此时绿灯将亮起，表明车门已全部关闭，司机可以安心驾驶。