原创 霍尔效应传感器的5个重要应用

2022-7-12 16:25 363 0 分类: 消费电子
霍尔效应传感器的5个重要应用

磁传感器是能够检测和分析由磁铁或电流产生的磁场的设备。它们可用于不同类型的应用,例如感应磁场位置和角度的变化,感应磁场强度或方向的变化等。

【导读】磁传感器是能够检测和分析由磁铁或电流产生的磁场的设备。它们可用于不同类型的应用,例如感应磁场位置和角度的变化,感应磁场强度或方向的变化等。


什么是磁传感器?


磁性传感器


磁传感器是能够检测和分析由磁铁或电流产生的磁场的设备。它们可用于不同类型的应用,例如感应磁场位置和角度的变化,感应磁场强度或方向的变化等。


有多种类型的磁传感器,例如用于检测磁场强度变化的霍尔效应传感器(霍尔开关、线性霍尔传感器等),用于检测磁场方向变化的磁阻传感器、用于检测磁场角度变化的角度传感器、3D 霍尔传感器以及磁性速度传感器。霍尔效应传感器被广泛应用于接近传感器、位置和速度测量等领域。它们甚至用于计算机打印机、气缸、计算机键盘等。


磁传感器通常是一种固态器件,由于其高精度和准确度高、操作少、维护成本相对较低、设计紧凑等特点,如今需求量很大。例如,工业应用是可用的,密封的霍尔效应器件是防水的,并且其制造方式也可以抵抗任何振动。


磁传感器广泛用于汽车系统,特别是用于分析汽车座椅、安全带的位置和用于控制安全气囊系统以及用于检测车轮转速以用于防抱死制动系统(ABS)。


霍尔效应传感器


霍尔效应传感器是磁传感器,其输出取决于磁传感器周围的磁场或磁通量密度。


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● “霍尔”这个词来自第一次发现这种霍尔效应的 Edwin Hall 博士。


● 如果存在垂直于电流通过的物体的外部磁场,则会在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势。


什么是霍尔电压 ?


如果在磁传感器中施加外部磁场,它就会被激活。霍尔效应传感器的输出电压与通过的施加磁场强度成正比。在外场超过特定的磁通密度阈值后,会产生输出电压,通常称为霍尔电压(VH)。


霍尔系数


霍尔系数RH的单位通常以m3/C, or Ω·cm/G 表示。


霍尔效应传感器的构造:


霍尔效应传感器通常由一块矩形半导体组成,例如铟锑 (InSb) 或砷化镓 (GaAs),称为霍尔探头,安装在 铝板上并完全覆盖在探头内部。由非磁性材料制成的探针柄与探针头连接,使得半导体矩形板的平面垂直于探针柄。


当设备被激活时,电流会持续流过半导体。如果外部磁场线与探头成直角,使得磁场线穿过探头传感器的直角,则会产生称为“霍尔效应”电压的电压,并且设备会提供读数外场的磁通密度 (B)。


霍尔效应传感器的符号:


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什么是霍尔效应传感器?


霍尔效应传感器的工作原理


● 霍尔效应传感器的工作主要是由于洛伦兹力的影响(它是带电粒子由于电场或磁场而受到的力,即简单的电磁场)。


● 在存在足够大小的现有外部磁场的情况下,半导体板中的电子被偏转向板的一个边缘,即,由于作用在它们上的洛伦兹力,空穴和电子向板的任一侧移动。


● 为此,半导体的一侧带负电,而另一侧则带正电。由于在这两侧积累了相反的电荷,这会在矩形板的两侧产生电压梯度。该电压称为霍尔电压 (V H ),通过使用外部磁场产生这种可测量的霍尔电压的效果称为霍尔效应。


● 为了产生电位差以产生可测量的电压,外部磁场线必须与电流流过平板的平面成直角。此外,应为霍尔效应传感器提供正确的极性以使其工作。


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霍尔效应传感器工作


● 当电子和空穴相互远离时,会产生电位梯度,并且分离会增加,直到电场产生的力与磁场产生的力相平衡。当两个力相互平衡时,电流不会发生变化,并且在该点检测到的霍尔电压并根据该磁通密度 (B) 已计算出来。


● 如果输出电压与磁通密度成线性关系,则称其为线性霍尔效应传感器,如果在不同磁通密度下输出电压有急剧下降,则称为阈值霍尔效应传感器。


● 我们听说过感应式传感器,它会响应变化的磁场,因为它会在线圈中感应出电流,从而在其输出中产生电压。因此,电感式传感器只能检测静态(不变)磁场,而霍尔效应传感器可以检测变化和不变的磁场。


● 霍尔效应传感器可以提供有关用于产生电压的磁极类型以及外部磁通密度 (B) 大小的信息。使用一组传感器,我们可以找到所使用的外部磁铁的相对位置。


● 霍尔效应传感器的输出电压通常非常小,即使在传感器上施加强外部磁场时也只有几微伏。因此,大多数市售霍尔效应传感器都内置有直流放大器和稳压器,以提高传感器的灵敏度和输出电压的幅度。


25.jpg


模拟和数字霍尔效应传感器


霍尔效应传感器的输出可以是线性(模拟)或数字。线性霍尔效应传感器的输出与外部磁场成正比,即通过传感器的磁通量密度取自差分运算放大器的输出。霍尔效应线性(模拟)传感器具有随外部磁场强度变化而变化的连续电压输出。


霍尔效应传感器公式:


线性霍尔效应传感器的输出可以表示为:


26.jpg


在霍尔效应的情况下,数字传感器的输出取自 OPAMP 的输出,而 OPAMP 又与具有内置滞后功能的施密特触发器相连,从而减少了输出电压的振荡。在这种情况下,只有当外部场强高于设备中的特定值时,设备才会从关闭状态切换到开启状态。


霍尔效应传感器类型:


根据它们运行所需的外部磁极的类型,霍尔效应传感器有两种类型。


1、双极

2、单极


使用单个磁铁的霍尔效应传感器中最常见的两种传感配置是正面检测和侧向检测。在侧向检测中,需要在霍尔效应元件的正面侧向移动磁铁。在正面检测中,磁铁以垂直于霍尔元件平面的方式朝向和远离霍尔元件移动。


霍尔效应传感器的应用:


● 位置传感器: 在开/关模式下工作时,即具有数字输出,检测磁性材料的出现是霍尔效应传感器的重要工业应用之一。


● 直流变压器: 霍尔效应传感器用于测量直流磁通量,从而可以计算出直流电流。


● 键盘开关: 对于某些计算机键盘,正在使用霍尔效应开关。但由于其成本相对较高,其高可靠性仅限于航空航天和军事领域。


● 油位指示器: 霍尔效应传感器使用位置感应来感应浮动元件的位置,并用作汽车油位指示器。


● 电动跑步机: 霍尔传感器在这里用于速度传感器,也用于因意外跌倒而导致的紧急停止。跑步机中使用者的腰带与拉绳相连,而拉绳又与磁铁相连。如果用户不小心跌倒,磁铁会脱落,电源会中断,机器会停止。 

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