霍尔效应传感器

观察霍尔效应的原理

如果电流流过一个导体，而且在与电流垂直的方向，有一个磁场(磁通量)穿 过导体，带电粒子就会漂移到矩形薄片的边缘，并聚集在边缘表面。磁通 量在导体上施加一个力，这个力使电压(正向)向一边漂移，电子(负向力)向 另一边漂移。施加于电流中的力称为洛伦茨力。 磁场力作用在导体上时，载流子在另一侧，在导体中建立一个电压降。 这个电压差就是霍尔电压。霍尔电压与流过的电流、磁场强度以及导体材 料成比例。如果这三个变量中的任何一个发生变化，导体中的电压差就会 改变。这就是为什么霍尔元件必须有一个调节电压作用于电路。如果电流 可以调节，而且给定导体的材料，剩余的唯一事情是改变磁场强度。磁场 强度与电路改变90°角时，导体中的电压降也在改变。磁通量越强，导体 中的电压降就越大。
霍尔效应传感器的原理与诊断
霍尔效应
霍尔效应Hall Effect是一种磁电效应，是一种现象，
是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中 受力的性质时发现的。根据霍尔效应，人们用半导 体材料制成霍尔元件，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 ，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
2、如果节气门轴由PCM监测，磁场也随着节气门轴 旋转。发动机怠速运转时，节气门应该关闭。此时。 磁场强度低，产生的霍尔电压应该也低。微分放大 器会有一个小的电位差。放大器输出应该较低。 NPN晶体管的基极将会收到放大器的输出。
因为基极电压低，NPN晶体管的放大也低。在 这种情况下，节气门位置传感器的输出电压应该是 1v的指令。当发动机带负荷运转时，节气门轴旋转 打开节气门。当节气门轴旋转时，霍尔元件上的磁 场加强。其产生的霍尔电压与磁场强度成正比。霍 尔电压增加时，微分放大器收到它的电位差，随后 放大器放大这个差值。这个增加的输出被传送到 NPN晶体管的基极，接着基极放大这个信号，产生 节气门位置传感器的输出。这个线性输出与节气门 轴的旋转成正比。
最适合于霍尔元件的放大器是微分放大器
这种放大器只放 大正ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极输入之 间的电位差。如 果正负极输入与 放大器之间没有 电压差，放大器 就没有输出电压。 然而，如果有电 压差，这个电压 差将会被线性放 大。
齿轮式霍尔效应传感器工作原理分析
霍尔元件直接与微分放大器连接。以便放大器能够
反映霍尔元件的性能。霍尔元件中没有磁场时，就 没有霍尔电压产生。放大器不输出电压。一个磁场 作用于霍尔元件时，元件中产生霍尔电压，微分放 大器监测并放大这个电压差。、、 霍尔效应传感器的型式决定了放大电路的不同， 其输出要适应所控制的装置。这个输出可能是模拟 式，如加速位置传感器或节气门位置传感器，也可 能是数字式。如曲轴或凸轮轴位置传感器。
◆ 对于数字式霍尔效应传感器，如果传感器信号高、并有
间歇性故障或者已经完全损坏，控制模块的电路应良好。 ◆ 不同的控制单元使用不同的信号电压电平，通常使用 5V、8V、9V或12V。这些信号电压电平必须在正常电压10 ％的范围内，否则控制单元将不能监测状态的电压变化。 ◆ 如果信号低、并有间歇性故障或完全不工作，电压调节 器或控制单元电路可能已经损坏，信号线可能断路或接地， 或者是霍尔效应传感器损坏，使信号接地。 ◆ 如果传感器的接地电压电平不在车辆接地电压10％的 范围内，控制单元将不会监测状态的信号变化。 ◆ 如果电压一直高或低，一定要使齿轮移动。 ◆ 如果霍尔效应传感器多次发生故障，要确保没有被齿轮 撞击。 ◆ 如果霍尔信号线短路，或者与电源间歇性、永久性短路， 将会烧坏霍尔传感器内的电子线路，使信号接地。设计霍 尔传感器的电流不高于20mA，电阻位于信号电路内，以便 限制流过电路的电流。如果电阻减小，将会增大电流，使 霍尔传感器多次发生故障。
当触发轮旋转时，轮上的叶片在磁场和霍尔元件之间移动。
既然触发轮是用含铁的材料制成的，它就会把磁场推向轮上 的叶片。在这一点，没有磁场穿过霍尔元 件，因此没有霍尔电压产生，微分放大器到施密特触发器也 没有输出。同样，施密特触发器到NPN基极也没有输出，晶 体管改变状态而关闭，接着负荷不再接地，这就产生一个断 路。在这个断路电路中存在电源电压。如果电压调节器是一 个5V电源，那么断路中的电压将是5V。当轮上的叶片旋转 时，它就从磁场和霍尔元件之间移出。接通电路，使负荷连 接接地柱。因此。信号电压降非常接近于接地点。重复这个 循环，以便在屏蔽式霍尔效应传感器中产生数字信号。
电阻的一端连接电压调节器，另一端连接NPN晶体
管的集电极。当晶体管改变状态并打开时，信号电 压接地。当齿轮旋转，齿后沿通过霍尔传感器时， 电压降低于预定的释放点，比较器释放到触发器电 路的电压，关闭NPN晶体管。接着晶体管改变状态， 断开电路。此时在信号电路中存在电源电压，如果 电压调节器是5V电源，此时信号电压也是5V。当轮 齿通过霍尔传感器的下方时，激活电路，使5V信号 接地。这个循环自我重复，以便从齿轮式霍尔效应 感知装置中产生数字输出。
霍尔效应的本质
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 个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电 流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。 平行电场和电流强度之比就是电阻率。

当霍尔元件用于数字信号时，例 如曲轴位置传感器、凸轮轴位置 传感器或车速传感器，必须首先 改变电路。霍尔元件与微分放大 器连接，微分放大器与施密特触 发器连接。在这种配置中。传感 器输出一个开或关的信号。在多 数汽车电路中，霍尔传感器是电 流吸收器或者使信号电路接地。 要完成这项工作，需要一个NPN 晶体管与施密特触发器的输出连 接(如图5所示)。磁场穿过霍尔元 件，一个触发器轮上的叶片在磁 场和霍尔元件之间通过。
要诊断这些电路的故障，应该测量电源、接
地和信号之间的电压降。如果高、低输出的 信号正确，则电源和接地也良好。如果电源 是蓄电池电压，电压调节器位于霍尔传感器 内。如果是一个电子模块供电。电压调节器 位于这个电子模块内。如果电源的电压降来 自电阻的电压降或者调节器故障，输出信号 也会下降。如果供电电压升高，输出信号也 会升高。如果由于电阻的电压降使接地电压 升高，输出信号也会升高
低电压设定在关闭点而不是打开点。打开点和关闭点之间的
差值(即磁滞现象)的用途是消除微分放大器较小变化引起的 触发错误。打开施密特触发器，输出电压被输送到NPN晶体 管的基极。晶体管的基极有电压时，打开晶体管。 控制单元的电压调节器给一个电阻或负荷供电。电阻电 路连接NPN晶体管的集电极，当打开NPN晶体管时，电流从 集电极流入，从发射极流出接地。在这种情况下。信号接地。 既然电阻在控制单元的内部。在接地柱上。电压将会下降到 非常接近于接地电压。

使用一个模拟式霍尔感知装置，如果瞿尔 传感器和控制模块之间有一个电压降或电路 断路，信号电压在传感器正确，但是在电子 模块不正确。如果信号在电子模块正确，但 是解码器电压不正确，那么控制单元内的A， D转换器可能已经发生故障。更换控制单元 之前，总是要检查控制模块内的各个电源、 接地以及信号。
将有助于诊断的7个小提示提示：
3、节气门位置传感器的输出被传送到PCM， 在那里报告节气门轴的角度。PCM的微处理 器不能直接阅读来自节气门位置传感器的模 拟电压，这个信号必须被转换成二进制，即 许多1和0。要完成这项工作。需要使用一种 称为模拟数字(A/D)转换器的装置。多数情况 下使用8位A/D转换器。这种装置把一个电压 电平转换成一系列的1和0。这样微处理器就 可以解码，并且知道节气门轴的实际角度 。
要使这个传感器工作，齿轮必须从霍尔元件
旁通过。在没有齿的位置给电容器充电，储 存非齿型霍尔电压，以便它能与齿型霍尔电 压比较。齿型的顶端接近传感器时，霍尔电 压升高到预定的工作点。在这个点，比较器 给触发器电路发送一个信号，触发器给NPN 晶体管施加一个电压信号，打开晶体管。 NPN晶体管连接控制单元内的电阻电路。
在汽车工业中的应用
这项技术应用于现代汽车的许多系统，包括动力、车身控
制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同的系 统，霍尔效应传感器有开关式、模拟式和数字式3种型式。 霍尔效应传感器是触发传感器，传感器没有直接接触，而 是使用一个磁场激活电子单元。
霍尔效应传感器可以采用金属和半导体等制成，效应质量 的改变取决于导体的材料，材料会直接影响流过传感器的 正离子和电子。制造霍尔元件时，汽车工业通常使用3种半 导体材料，即砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)以及砷化铟 (InAs)。最常用的半导体材料是砷化铟。正如霍尔博士的 经验，导体是薄片矩形，这很重要，这样就会允许载流子 流过，以便分散并聚集在边缘。
我们看看这些霍尔传感器的不同配置
1、霍尔元件用于模拟式传感 器时，这个传感器可以用于 空调系统中的温度表或动力 控制系统中的节气门位置传 感器。霍尔元件与微分放大 器连接，放大器与NPN晶 体管连接(如图4所示)。磁 铁固定在旋转轴上，轴在旋 转时，瞿尔元件上的磁场加 强。其产生的霍尔电压与磁 场强度成比例。
齿轮式霍尔效应传感器
这是另一种数字式on／
off(开，关)感知装置。当一 个偏磁场位于瞿尔元件的上 方时，在这个传感器内，磁 场总是穿过霍尔元件，霍尔 电压一直存在。当一个齿轮 通过霍尔元件的下方时，元 件中的磁场加强。当磁场加 强时，霍尔电压就升高。这 个电压被输送到一个电路， 这个电路比较霍尔非齿型电 压输出和霍尔齿型电压输出。

当轮上的叶片不在磁场和霍尔元件之间时，磁场 就穿过霍尔元件，产生一个霍尔电压。这个电压被 输送到微分放大器的正负极输入。放大器放大这个 电压差，并把它输送到施密特触发器的输入，这是 一个数字式触发装置。当微分放大器的电压增加时， 电压就达到一个打开阈值，或者说一个操作点。在 这个操作点，施密特触发器改变它的状态，允许输 出电压信号。