霍尔传感器解析

一．霍尔传感器市场调研

1.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U H的霍尔电压。

2.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（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。

3.霍尔传感器的工作原理

霍尔电流传感器有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成。

①直放式电流传感器（开环式）

众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4V。

②磁平衡式电流传感器（闭环式）

磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输

出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。

4.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。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。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。

5.霍尔传感器的特性

①线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如下图所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

②开关型霍尔传感器的特性

如图所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点BOP时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点BOP以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。BOP与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图所示。

当磁感应强度超过动作点BOP时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

6.霍尔传感器的应用

（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。

1．电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

2．位移测量

两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，按这一原理可制成力传感器。

（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

7.目前常用的霍尔传感器型号

随着半导体工艺技术的发展，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上，成为霍尔集成传感器（又称霍尔传感器），为了应用上的需要，霍尔集成传感器又分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器又分为单极霍尔开关，双极霍尔开关和全极霍尔开关。

①双极霍尔传感器[霍尔微电子]如：HAL732 177 HAL41F HAL40A HAL512 HAL513 HAL1881 HAL732 AH513 AH413 AH512 AH173 AH175 S41 276 277 双极霍尔开关用于无触点开关，电机风扇，无刷风机······

②单极霍尔传感器如：HAL 系列：HAL3144(即有贴片SOT-23封装,又有直插TO-92UA 封装)，HAL44L ，HAL58，HAL202 HAL443A HAL443F ，HAL131，HAL130，HAL543 ,HAL3134

AH 系列：AH44E AH201 AH44L AH543 AH443

单极霍尔元件用于无触点开关，汽车点火器，刹车电路，位置、转速检测与控制，安全报警装置，纺织控制系统、水流检测装置、电机测速······

③全极性霍尔传感器[霍尔微电子]如：HAL148 HAL13S HAL149 4913 W131 用于手机、水表、相机、笔记本电脑、手电筒……

霍尔开关A1104 A04E A3144 为美国ALLEGRO 公司产品。

二．霍尔位移传感器

被测物体分别与恒定电流I 和恒定磁场B 垂直。当被测物体相对于原来位置有微小位移变化时，会产生变化的磁通量，会在导体垂直于磁场和电流的两个端面之间产生电势差，即U H （霍尔电压）。霍尔位移传感器是通过研究微小位移与

霍尔电压的关系来设计的。

霍尔元件作为测量系统或自动控制系统中的变换元件或计算元件得到了广泛应用。随着半导体工艺的提高, 它们的性能也得以大幅度地改善。高性能的霍尔元件和高性能的磁性材料为研究高性能的霍尔式传感器提供了条件。霍尔式位移传感器的突出优点是输出变化量大、灵敏度高、分辨力高、质量轻、惯性小、反应速度快；霍尔元件的频响范围宽,适合作动态位移测试。虽然霍尔式位移传

感器的原理成熟, 但是国内市场上成形的产品和生产厂家较少。下面介绍一种

新型敏感元件砷化镓与高性能稀土永磁材料构成的小位移传感器, 同时设计了以MCS-51微处理器为核心的智能化仪表测试系统, 对传感器的输出信号进行监控测试、数据处理、显示测试结果。

1.传感器设计

置于磁场中的静止载流体若电流方向与磁场方向垂直, 则在载流体的平行于电流与磁场方向所组成的两个侧面产生电势:

IB K U H H （1）

式中 H U —霍尔电势, V

H K —霍尔片的灵敏度, V/A T

I — 流过载流体的电流, A

B — 磁场的磁感应强度, T

如果保持控制电流I 不变, 使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中移动,则输出霍尔电压U H 取决于它在磁场中的位移量x 。磁场梯度越大,灵敏度越高,梯度

变化越均匀, 霍尔电压与位移之间的线性度越高, 这就是霍尔式位移传感器的原理。当霍尔元件处于单块永磁体形成的磁场中, 任一工作点都有霍尔电势输出, 这使得传感器没有零点, 对测量来讲是很不方便的。采用两块永磁体同极性放置构成的磁系统既解决了零点问题又改善了传感器的线性度。霍尔元件感受轴向的磁场变化, 沿轴向运动, 这样可使传感器获得较高的灵敏度。

传感器结构示意图

1.导杆

2.调节螺丝

3.外壳

4.磁铁

5.外套

6.薄片螺母

7.引线

8.预紧弹簧

9.引线孔 10.定位垫片

11.霍尔元件 12.支承弹簧

2.传感器数学模型建立

建立如下图所示坐标系：

磁感应强度B 的计算图

首先分析单个磁铁II 在坐标系X ′O ′Z ′中的情况，根据安培分子电流学说, 永久磁铁可等效为空心螺线管。对于轴对称的圆柱形永磁体, 其柱面法向量与磁化强度方向垂直, 故有电流密度J=H eb ,H cb 为永磁体的矫顽力。根据毕奥-萨伐定律, 螺线管上长度为dl 的微元在P 点产生的磁场为: 2/32'220

2/320

22

0])([2)(2l x R dl R u r R dI R u dB -+=+=

（2）

式中 R —原线圈半径，m

0r —轴线上一点到原线圈的距离，m

I —流过原线圈的电流，A

0u —真空中磁导率

由磁感应强度B 的计算图可知32/32'2)sin (])([β

R l x R =-+，βctg R l x =-'，2sin Rd dl β

β

=，将积分变量l 变换为β，整个螺线管在在P 点产生的总磁场为：

dl l x R R J u B L L ?--+=2

22/32'220])([2 ?=21sin 20ββββd J u )cos (cos 2

210ββ-=J u ])2

(2)2(2[2'2'2'2'0L x R L x L x R L x J u -+--+++= （3） 经坐标变换'2

x L a x ++=，考虑到磁体I 在P 点的作用有 02222

2222[2()()]()()

sum u J x a L x a B R x a L R x a x a x a l R x a R x a l +++=-+++++-----+-+-- （4） 这里l a x R ++>，将上式展开成幂级数形式，忽略x 的高次项，整理

后代入（1）式即霍尔电势与位移间的近似关系。

x a a L R

a a R a L L R

J u I K U H H ]})[(24105])1[(415)2(3{266444230-+--+++-= （5） 三．交流激励时霍尔式传感器位移特性实验

1.实验目的：了解交流激励时霍尔式传感器的特性。

2.实验原理：根据霍尔效应，霍尔电势 U=KIB ，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。

3.需用器件与单元：主机箱、测微头、霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器模板、双线示波器。

4.实验步骤：

1）如下图所示，在实验板上连接好线路。

2）首先检查接线无误后，合上主机箱总电源开关，调节主机箱音频振动器的频率和幅度旋钮，用示波器、频率表监测L V 输出频率为1KHz ，幅值

为 4V的峰－峰值；关闭主机箱电源，再将L

V

输出电压(1KHz、4V)作为传感器的激励电压接入实验模板中（注意电压幅值过大会烧坏传感器）。

3）合上主机箱电源，调节测微头使霍尔传感器的霍尔片处于两磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，

调节电位器R

W1、R

W2

使显示为零。

4）调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器Rw和相敏检波电位器Rw，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。

5）使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动 0.2mm时表头读数，记录数据。

5.实验数据

根据所测实验数据作出V－X曲线，计算不同量程时的非线性误差。