霍尔传感器

霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔效应

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直

方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流

和磁场的方向上，将产生电势差为H的霍尔电压U

霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍

尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

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。

(1)线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

(2)开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

用单片机测量电磁场

1.硬件设计

硬件电路应包括：单片机接口电路、设定值输入（工作点磁感应强度设定值）、检测信号输入、控制输出和显示等部分。单片机接口电路包括数据的采集、模/数（A/D）转换和数/模(D/A)转换、电压信号放大、与上位机进行通信的串行接口电路等部分。

通过键盘输入电路或串行口输入磁感应强度设定值。

霍尔传感器检测磁感应强度形成检测输入信号。霍尔传感器将测量点的磁感应强度的大小转化成相应大小的霍尔电压值，再将该霍尔电压值送入A/D转换器，A/D转换器输出相

应大小的转换值，和D/A转换器的输出位数之间的关系要进行标定。标定是否准确直接影

响磁场产生装置的精度。在标定过程中，需用高精度特斯拉计对工作点的磁感应强度进行测量，再进行标定。

输入信号经Ad转换后到单片机。

单片机经D/A转换发出控制信号去控制励磁电源。

输出显示显示电路(数码管或LCD) 。

2.软件设计

通过控制系统的控制程序来控制工作点的磁感应强度达到要求。控制程序主要由中断程序和主程序组成。

控制系统接通电源后，等待输入值B0（即要产生的磁感应强度设定值），输入设定值可以通过键盘输入也可以通过上位机输入；程序根据该输入设定值的大小调整D/A转换器的输

出值V0，给电源提供供电信号。同时A/D转换器将传感器的输入信号转换成数字量B，并与设定值B0进行比较，形成偏差值，根据偏差值来调节输出值V0，以达到减小偏差的目的。

中断程序主要功能：磁场产生装置工作的过程中可以随时停机或变更输入值的大小。

上位机与单片机是通过串口进行通信的，串口通信采用标准的RS232通信协议。上位机通过RS232通信协议向单片机（下位机）传送命令，单片机将现场的输入传送给上位机，供上位机监控。在工作现场，有诸多干扰因素会影响气隙磁场的信号采样，因此必须对采样信号进行数字滤波处理，去除干扰信号，否则将会影响气隙磁场的控制精度。滤波采用中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法），即在一组采样数据中，去掉最大采样值和最小采样值，将剩余的数据求平均值作为采样的数据。去掉最大采样值和最小采样值是为了消除脉冲干扰。为了避免对磁场产生装置线圈的电流冲击，程序开始执行时，需要控制线圈电流的增加速度，使得线圈电流的变化是缓变的。

霍尔传感器和线圈传感器的区别

霍尔传感器和电磁流量计分别建立在两个物理规律基础上，一个是霍尔效应；一个是电磁感应定律。

霍尔效应：

固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差，这个电势差也被叫做霍尔电势差。

电磁感应定律：

因磁通量变化产生感应电动势的现象；闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应原理。

接近开关

科技名词定义

中文名称：接近开关英文名称：proximity switch定义：一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号。

接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。

性能特点:

在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。

当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。

有时被检测验物体是按一定的时间间隔，一个接一个地移向接近开关，又一个一个地离开，这样不断地重复。不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同的。这种响应特性被称为“响应频率”。

种类:

因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：

1、涡流式接近开关

这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。

2、电容式接近开关

这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测

量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。

3、霍尔接近开关

霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

4、光电式接近开关

利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。

5、热释电式接近开关

用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。

6、其它型式的接近开关

当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。

接近开关在航空、航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门，自动热风机上都有应用。在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在测量技术中，如长度，位置的测量；在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关。

接近开关的选型

对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：

1当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。

对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。

2 当检测体为非金属材料时，如;木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。

3金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。

4对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。

霍尔开关工作原理和性能优点

霍尔开关是以霍尔效应为原理工作的开关。霍尔效应是指，磁场里存在一个垂直的金属或半导体薄片，电流通过的情况下，金属或半导体薄片的两端会产生电势差。

霍尔开关的工作原理

霍尔效应产生的电势差，表达为公式就是U=K?I?B/d，其中U是导体两端电势差的值，K 是霍尔系数，I是通过导体的电流，B是外加磁场感应强度，D是薄片的厚度。霍尔效应电势差的公式表明，霍尔效应的灵敏度高低与外磁场的磁感应强度成正比。

霍尔开关是以霍尔效应原理为基础设计而成的，属于有源磁电转换器件。霍尔开关的控制信号为磁感应强度，在接受到磁输入信号后，霍尔开关内部的原件会将之转变为实际应用的电信号。

霍尔开关的输入端由磁感应强度来表征，在磁感应强度达到一定水平时，会触动霍尔开关内部的触发器，触发器反转则带动了霍尔开关的输出电平衡状态反转。

霍尔开关的输出端多是采用晶体管，一般来说，霍尔开关的输出有常开型、常闭型、NPN、PNP、锁存型和双信号输出型等。

霍尔开关的性能优点

霍尔开关的原理是霍尔效应，因此霍尔开关具有无触电工作的特点。霍尔开关多以集成封装和组装的工艺制程，能耗低、使用寿命长、响应频率快，并符合工业现场所需要的易操作、性能稳定等工作特点。

霍尔开关的内部材质为环氧树脂，经过封灌后构成一个整体，这使得霍尔开关有良好的环境适应性，可以用于各种恶劣的工作环境。霍尔开关可应用于接近开关、压力开关等方面。