霍爾傳感器

　　霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

　　原理

　　由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢(shì)的大小取決于：Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。

　　對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流Ic固定時(shí)，Vh將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。

　　一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢(shì)較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。

　　在半導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。

　　元件

　　根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　分類

　　霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

　?。ㄒ唬╅_關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。

　?。ǘ┚€性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

　　線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測(cè)量。.

　　開關(guān)型

　　如圖4所示，其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)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之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。

　　鎖鍵型

　　如圖5所示，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(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(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。

　　線性型

　　輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

　　開環(huán)式電流傳感器

　　由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。

　　閉環(huán)式電流傳感器

　　磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器，也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。

　　磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng) ，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場(chǎng)， 使霍爾器件的輸

　　出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時(shí)可以通過Is來平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。

　　霍爾電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1、 霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測(cè)量50Hz正弦波；

　　2、 原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離；

　　3、精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測(cè)量；

　　4、線性度好：優(yōu)于0.1%；

　　5、寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時(shí)間可小于1μs；

　　6、測(cè)量范圍：霍爾傳感器為系列產(chǎn)品，電流測(cè)量可達(dá)50KA，電壓測(cè)量可達(dá)6400V。

　　7、過載能力強(qiáng)：當(dāng)原邊電流超負(fù)荷，模塊達(dá)到飽和，可自動(dòng)保護(hù)，即使過載電流是額定值的20倍時(shí)，模塊也不會(huì)損壞。

　　霍爾電流傳感器使用時(shí)，需遵循以下注意事項(xiàng)：

　　1、為了得到較好的動(dòng)態(tài)特性和靈敏度，必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合，要耦合得好，最好用單根導(dǎo)線且導(dǎo)線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑。

　　2、使用中當(dāng)大的直流電流流過傳感器原邊線圈，且次級(jí)電路沒有接通電源|穩(wěn)壓器或副邊開路，則其磁路被磁化，而產(chǎn)生剩磁，影響測(cè)量精度（故使用時(shí)要先接通電源和測(cè)量端M），發(fā)生這種情況時(shí)，要先進(jìn)行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線圈中通一同樣等級(jí)大小的交流電流并逐漸減小其值。

　　3、霍爾傳感器都具有較強(qiáng)的抗外磁場(chǎng)干擾能力，但是，為了獲得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，當(dāng)有較強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾時(shí)，要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q。通常方法有：

　　調(diào)整模塊方向，使外磁場(chǎng)對(duì)模塊的影響最??；

　　在模塊上加罩一個(gè)抗磁場(chǎng)的金屬屏蔽罩。

　　4、測(cè)量的最佳精度是在額定值下得到的，當(dāng)被測(cè)電流遠(yuǎn)低于額定值時(shí)，要獲得最佳精度，原邊可使用多匝，但是，需要注意導(dǎo)線的空間位置（參照第一條）。

　　應(yīng)用

　　霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

　　霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。

　　按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。

　　位移測(cè)量

　　兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)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。

　　力測(cè)量

　　如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，按這一原理可制成的力傳感器。

　　角速度測(cè)量

　　在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。

　　線速度測(cè)量

　　如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。

　　注意事項(xiàng) 

　　（1）電流傳感器必須根據(jù)被測(cè)電流的額定有效值適當(dāng)選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測(cè)電流長(zhǎng)時(shí)間超額，會(huì)損壞末極功放管（指磁補(bǔ)償式），一般情況下，2倍的過載電流持續(xù)時(shí)間不得超過1分鐘。

　?。?）電壓傳感器必須按產(chǎn)品說明在原邊串入一個(gè)限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續(xù)時(shí)間不得超過1分鐘。

　?。?）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當(dāng)被測(cè)電流高于電流傳感器的額定值時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)大的傳感器；當(dāng)被測(cè)電壓高于電壓傳感器的額定值時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整限流電阻。當(dāng)被測(cè)電流低于額定值1/2以下時(shí)，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數(shù)的辦法。

　?。?）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在1KV及以下交流系統(tǒng)和1.5KV及以下直流系統(tǒng)中，6KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在2KV及以下交流系統(tǒng)和2.5KV及以下直流系統(tǒng)中，注意不要超壓使用。

　?。?）在要求得到良好動(dòng)態(tài)特性的裝置上使用時(shí)，最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數(shù)，均會(huì)影響動(dòng)態(tài)特性。

　?。?）在大電流直流系統(tǒng)中使用時(shí)，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心產(chǎn)生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流并逐漸減小其值。

　　（7）傳感器抗外磁場(chǎng)能力為：距離傳感器5～10cm一個(gè)超過傳感器原邊電流值2倍的電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾可以抵抗。三相大電流布線時(shí)，相間距離應(yīng)大于5～10cm。

　　（8）為了使傳感器工作在最佳測(cè)量狀態(tài)，應(yīng)使用圖1－10介紹的簡(jiǎn)易典型穩(wěn)壓電源。

　?。?）傳感器的磁飽和點(diǎn)和電路飽和點(diǎn)，使其有很強(qiáng)的過載能力，但過載能力是有時(shí)間限制的，試驗(yàn)過載能力時(shí)，2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。

　?。?0）原邊電流母線溫度不得超過85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。

　　案例

　　霍爾傳感器技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)

　　霍爾傳感器技術(shù)在汽車工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，包括動(dòng)力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。為了滿足不同系統(tǒng)的需要，霍爾傳感器有開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。[1]

　　霍爾傳感器可以采用金屬和半導(dǎo)體等制成，效應(yīng)質(zhì)量的改變?nèi)Q于導(dǎo)體的材料，材料會(huì)直接影響流過傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時(shí)，汽車工業(yè)通常使用三種半導(dǎo)體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導(dǎo)體材料當(dāng)屬砷化銦。

　　霍爾傳感器的形式?jīng)Q定了放大電路的不同，其輸出要適應(yīng)所控制的裝置。這個(gè)輸出可能是模擬式，如加速位置傳感器或節(jié)氣門位置傳感器，也可能是數(shù)字式。如曲軸或凸輪軸位置傳感器。

　　當(dāng)霍爾元件用于模擬式傳感器時(shí)，這個(gè)傳感器可以用于空調(diào)系統(tǒng)中的溫度表或動(dòng)力控制系統(tǒng)中的節(jié)氣門位置傳感器?；魻栐c微分放大器連接，放大器與NPN晶體管連接。磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸上，軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件上的磁場(chǎng)加強(qiáng)。其產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例。

　　當(dāng)霍爾元件用于數(shù)字信號(hào)時(shí)，例如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器或車速傳感器，必須首先改變電路?；魻栐c微分放大器連接，微分放大器與施密特觸發(fā)器連接。在這種配置中。傳感器輸出一個(gè)開或關(guān)的信號(hào)。在多數(shù)汽車電路中，霍爾傳感器是電流吸收器或者使信號(hào)電路接地。要完成這項(xiàng)工作，需要一個(gè)NPN晶體管與施密特觸發(fā)器的輸出連接。磁場(chǎng)穿過霍爾元件，一個(gè)觸發(fā)器輪上的葉片在磁場(chǎng)和霍爾元件之間通過。