霍尔效应传感器¶
Hall Effect Sensor
我们在磁学讨论的最后不得不提到磁传感器，尤其是广泛使用的霍尔效应传感器。
霍尔效应传感器是一种磁传感器，它可用于检测由永久磁铁或电磁铁产生的磁场的强度和方向，其输出随着被检测磁场强度的变化而成比例变化。
磁传感器将磁性或磁编码信息转换为电子信号，以供电子电路处理，在“传感器与换能器”教程中，我们研究了电感式接近传感器和线性差动变压器（LDVT），以及电磁铁和继电器输出执行器。
磁传感器是固态器件，因其可用于多种不同类型的应用（如位置、速度或方向运动的检测）而越来越受欢迎。
由于其非接触、免磨损运行、低维护、结构坚固，以及密封的霍尔效应器件能够免受振动、灰尘和水的影响，这也使得电子设计人员对其青睐有加。
磁传感器的主要应用之一是在汽车系统中用于检测位置、距离和速度。例如，用于火花塞点火角的曲轴角位置检测、用于安全气囊控制的车座和安全带位置检测，以及用于防抱死制动系统（ABS）的车轮速度检测。
磁传感器针对各种应用被设计成能够响应正负磁场，而一种输出信号作为周围磁场密度函数的磁传感器称为霍尔效应传感器。
霍尔效应传感器是一种被外部磁场激活的器件。我们知道，磁场具有两个重要特性：磁通密度（\(B\)）和极性（北极和南极）。
霍尔效应传感器的输出信号是其周围磁场密度的函数。当传感器周围的磁通密度超过某一预设阈值时，传感器检测到该现象并产生称为霍尔电压（\(V_H\)）的输出电压。
霍尔效应传感器原理¶
Hall Effect Sensor Principles
霍尔效应传感器基本上由一块矩形的薄型 p 型半导体材料（例如砷化镓 ( \(\mathrm{GaAs}\))、锑化铟 ( \(\mathrm{InSb}\)) 或砷化铟 ( \(\mathrm{InAs}\))）构成，并在其内部通以连续电流。
当器件置于磁场中时，磁通线对半导体材料施加力，使载流子（电子和空穴）向半导体薄片的两侧偏移。这种载流子的横向移动正是它们在通过半导体材料时所受磁力（洛伦兹力）的结果。
由于电子和空穴向两侧聚集，在半导体材料的两侧会产生电荷积累，从而形成电位差。外部磁场——须与电流方向成垂直（ \(90^\circ\)）且极性正确（通常为南极）——的存在，改变了电子在半导体中的运动，从而使这种矩形平板结构更易产生可测电压。
利用磁场产生可测电压的效应称为霍尔效应，以其发现者埃德温·霍尔（Edwin Hall，1870年代）命名，其基本物理原理即洛伦兹力。要在器件两端产生电位差，磁通线必须与电流流向垂直（ \(90^\circ\)），且磁极极性要正确——通常南极可使器件产生电压输出，而北极则无效。
霍尔效应不仅可提供磁极类型的信息，还能反映磁场的强度。例如，当感应到南极时，器件会输出电压；而在无磁场时，霍尔传感器和霍尔开关通常处于“断开”（开路）状态，只有在受到足够强度和正确极性的磁场作用时才切换为“导通”（闭路）状态。
霍尔效应磁传感器¶
Hall Effect Magnetic Sensor
基本霍尔元件的输出电压称为霍尔电压（\(V_H\)），它与通过半导体材料的磁场强度成正比（输出 \(\propto H\)）。
该输出电压可能非常小，即使在强磁场作用下也仅为几微伏（\(\mu\mathrm{V}\)），因此市售绝大多数霍尔效应器件都内置了直流放大器、逻辑开关电路和稳压器，以提高传感器的灵敏度、迟滞特性和输出电压。
这也使得霍尔效应传感器能够在更宽范围的电源电压和磁场条件下工作。
霍尔效应传感器
The Hall Effect Sensor
霍尔效应传感器可提供线性或数字输出。对于线性（模拟）传感器，其输出信号直接取自运算放大器的输出端，输出电压与穿过霍尔传感器的磁场成正比。该输出霍尔电压表示为：
其中：
-
\(V_H\) 是霍尔电压，单位为 \(\mathrm{V}\)
-
\(R_H\) 是霍尔效应系数
-
\(I\) 是流经传感器的电流，单位为 \(\mathrm{A}\)
-
\(t\)是传感器的厚度，单位为 \(\mathrm{mm}\)
-
\(B\) 是磁通密度，单位为 \(\mathrm{T}\)
线性或模拟传感器提供连续的电压输出；当磁场较强时输出电压增大，磁场较弱时输出电压减小。在线性输出的霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，运放的输出信号也会相应增大，直到达到电源所限而开始饱和。磁场的任何额外增强都不会使输出继续增大，而只是将其进一步推入饱和区。
数字输出传感器则在运放输出端连接了具有内部迟滞的施密特触发器。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设阈值时，器件的输出会迅速从“断开”（开路）状态切换到“导通”（闭路）状态，且不会产生触点抖动。
这种内置迟滞消除了传感器进出磁场时输出信号的任何振荡。因此数字输出传感器只有两种状态：“断开”（开路）和“导通”（闭路）。
数字霍尔效应传感器基本可分为双极型（Bipolar）和单极型（Unipolar）两种。双极型传感器需要正磁场（南极）才能使其工作，需要负磁场（北极）才能使其复位；而单极型传感器仅需单一的南极磁场既可使其吸合，也可使其复位。
大多数霍尔效应器件无法直接驱动大电流负载，因为其输出驱动能力仅为约 \(10\text{--}20\,\mathrm{mA}\)。对于大电流负载，通常在输出端增加一个开集电极（电流吸收型）NPN 晶体管。
该晶体管工作于饱和区，作为 NPN 吸收开关：当施加的磁通密度高于“导通”预设点时，晶体管将输出端短接到地。
输出开关晶体管可采用开集电极、开发射极或同时具备两者的推挽输出配置，以提供足够的电流吸收能力，直接驱动继电器、马达、发光二极管（LED）和灯泡等多种负载。
霍尔效应应用¶
Hall Effect Applications
霍尔效应传感器由磁场激活，在许多应用中，可通过固定在运动轴或装置上的单个永磁体来驱动器件。磁体的运动类型有多种，例如“正面”（Head-on）、“侧向”（Sideways）、“推拉”（Push-pull）或“双推”（Push-push）等感测方式。
无论采用何种配置，为了确保最大灵敏度，磁力线必须始终垂直于器件的感测面，且极性要正确。
此外，为了保证线性度，需要使用高场强的磁体，以便在所需运动范围内产生较大的磁场强度变化。检测磁场的运动路径有多种可能，以下介绍两种较常见的单磁体感测配置：正面检测（Head-on Detection）和侧向检测（Sideways Detection）。
正面检测¶
Head-on Detection
“头对头检测”顾名思义，要求磁场必须垂直于霍尔效应传感器的感测面，并且磁体以正面对准的方式直接朝传感器的有源面接近。
这种正面接近方式在线性器件中会产生输出信号 \(V_H\)，它表示磁通密度 \(B\) 随离传感器距离变化的函数。磁体越靠近，磁场越强，输出电压越大，反之亦然。
线性器件还能够区分正负磁场。非线性器件则可设计为在磁体与传感器之间达到预设气隙距离时触发“导通”输出，用于位置检测。
侧向检测¶
Sideways Detection
第二种感测配置称为“侧向检测”。这要求将磁体以横向运动的方式，在霍尔元件的感测面上滑过。
侧向或滑过检测（slide-by detection）适用于在固定气隙距离内，检测磁体横向经过霍尔元件感测面时的磁场存在，例如用于计数旋转磁体或测量电机的转速。
当磁场经过传感器的零场中心线（zero-field centre line）时，线性输出器件可根据磁场位置产生正、负两种极性的输出电压。这就能够实现垂直或水平方向的运动检测。
霍尔效应传感器有许多不同的应用，尤其是作为接近传感器使用。在环境中存在水、振动、污垢或油污（如汽车应用场景）时，它们可替代光学传感器或光电传感器。霍尔器件也可用于电流检测。
在前面的教程中，我们了解到，当电流通过导体时，其周围会产生环形电磁场。将霍尔传感器置于导体旁边，即可通过检测该磁场测量从几毫安（ \(\mathrm{mA}\)）到数千安（ \(\mathrm{A}\)）的电流，无需使用大型或昂贵的互感器和线圈。
除了检测磁体和磁场的存在与否外，还可通过在器件有源区域背后放置一个微小的永久“偏置”磁铁来检测铁磁材料（如铁和钢）。此时，传感器处于一个恒定静态磁场中，当有铁磁材料靠近并扰动该磁场时，传感器可检测到电压变化，灵敏度可低至 \(\mathrm{mV}/\mathrm{G}\) 量级。
根据不同类型的器件（数字或线性），霍尔传感器与电路的接口方式也各不相同。一个非常简单且易于构建的示例电路是使用发光二极管（LED），如下所示。
位置检测器（Positional Detector）
Positional Detector
当没有磁场存在（\(0\ \mathrm{G}\)）时，此正面位置检测器处于“断开”（OFF）状态。当永久磁铁的南极（正高斯）垂直朝向霍尔效应传感器的有源区域移动时，器件切换为“导通”（ON）状态并点亮 LED。一旦切换为“导通”（ON）状态，霍尔效应传感器将保持“导通”状态。
要使器件（从而 LED）恢复至“断开”（OFF）状态，对于单极型传感器，必须将磁场强度降低至低于释放点；对于双极型传感器，则需施加北极（负高斯）。如果需要霍尔效应传感器输出去切换更大电流负载，则可将 LED 替换为较大功率晶体管。
附录¶
李永乐老师的视频¶
课程可能比较枯燥，李老师视频在此
霍尔效应是什么？车速表是如何测量汽车速度的？李永乐老师讲霍尔传感器
霍尔原理及应用场景¶
| 原理要点 | 应用场景 |
| 基本原理载流子受洛伦兹力作用横向偏移，产生与磁场成正比的霍尔电压： \(V_H = R_H \dfrac{I}{t} B\) | 磁场强度测量；磁通密度校准 |
| 线性输出输出电压连续，与磁场强度成正比，可区分极性 | 模拟磁场检测；模拟电流传感 |
| 数字输出内置施密特触发器，带迟滞；开关输出，无抖动 | 接近开关；限位开关；位置检测 |
| 头对头/侧向检测Head-on 和 Slide-by 两种感测配置 | 位置限位；旋转编码；转速测量（如 ABS） |
| 电流检测无源测量导体磁场，可测量 mA 至 kA 电流 | 电流测量仪表；电机电流监控 |
| 偏置磁检测铁磁材料背置偏置磁，检测铁、钢等扰动 | 金属检测；防拆安全报警 |
| 环境适应性非接触、免磨损；耐振动、尘埃、水汽 | 汽车系统（曲轴、座椅、ABS）；工业自动化 |
单词表¶
| English | 中文 |
| Hall Effect Sensor | 霍尔效应传感器 |
| Hall Voltage | 霍尔电压 |
| magnetic flux density | 磁通密度 |
| polarity | 极性 |
| p-type semiconductor | p 型半导体 |
| gallium arsenide (GaAs) | 砷化镓 (GaAs) |
| indium antimonide (InSb) | 锑化铟 (InSb) |
| indium arsenide (InAs) | 砷化铟 (InAs) |
| continuous current | 连续电流 |
| Lorentz force | 洛伦兹力 |
| pre-set threshold | 预设阈值 |
| DC amplifier | 直流放大器 |
| logic switching circuit | 逻辑开关电路 |
| voltage regulator | 稳压器 |
| linear output (analogue) | 线性输出（模拟） |
| digital output | 数字输出 |
| operational amplifier (op-amp) | 运算放大器 |
| Schmitt-trigger | 施密特触发器 |
| hysteresis | 迟滞 |
| saturation | 饱和 |
| open-collector | 开集电极 |
| NPN transistor | NPN 晶体管 |
| push-pull output | 推挽输出 |
| head-on detection | 头对头检测 |
| sideways detection | 侧向检测 |
| slide-by detection | 滑过检测 |
| proximity sensor | 接近传感器 |
| non-contact | 非接触 |
| wear-free operation | 免磨损运行 |
| permanent magnet | 永磁体 |
| biasing magnet | 偏置磁铁 |
| ferromagnetic material | 铁磁材料 |
| mV/G | mV/G（灵敏度单位） |
| on state | 导通状态 |
| off state | 断开状态 |
| unipolar | 单极型 |
| bipolar | 双极型 |
| active area | 有源区域 |
| air gap | 气隙 |
| drive capability | 驱动能力 |
| sensitivity | 灵敏度 |
| microvolt (µV) | 微伏 (µV) |
声明¶
本文翻译自 electronics-tutorials
本文仅供学习，禁止用于任何的商业用途。