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一文解析霍爾效應傳感器

發布時間:2019-05-05 責任編輯:wenwei

【導讀】磁傳感器是固態設備,它們變得越來越流行,因為它們可以用于許多不同類型的應用,例如感測位置,速度或定向運動。它們也是電子設計人員的一種流行的傳感器選擇,因為它們具有非接觸式無磨損操作,低維護,堅固的設計以及密封的霍爾效應設備,不受振動,灰塵和水的影響。
 
磁傳感器將磁或磁編碼信息轉換為電信號,以便通過電子電路進行處理。
 
一文解析霍爾效應傳感器
 
磁傳感器是固態設備,它們變得越來越流行,因為它們可以用于許多不同類型的應用,例如感測位置,速度或定向運動。它們也是電子設計人員的一種流行的傳感器選擇,因為它們具有非接觸式無磨損操作,低維護,堅固的設計以及密封的霍爾效應設備,不受振動,灰塵和水的影響。
 
磁傳感器的主要用途之一是用于感測位置,距離和速度的汽車系統。例如,曲柄軸的角度位置用于火花塞的點火角度,汽車座椅和用于安全氣囊控制的座椅安全帶的位置或用于防抱死制動系統的車輪速度檢測(ABS)。
 
磁傳感器設計用于響應各種不同應用中的各種正負磁場,一種類型的磁傳感器,其輸出信號是其周圍磁場密度的函數,稱為霍爾效應傳感器。
 
霍爾效應傳感器是由外部磁場激活的設備。我們知道磁場有兩個重要特性:磁通密度,(B)和極性(北極和南極)。霍爾效應傳感器的輸出信號是器件周圍磁場密度的函數。當傳感器周圍的磁通密度超過某個預設閾值時,傳感器檢測到它并產生稱為霍爾電壓V H的輸出電壓。請看下圖。
 
霍爾效應傳感器原理
 
一文解析霍爾效應傳感器
 
霍爾效應傳感器基本上由一塊薄的矩形p型半導體材料組成,例如砷化鎵(GaAs),銻化銦(InSb)或砷化銦(InAs),它們通過自身連續的電流。當器件放置在磁場中時,磁通線在半導體材料上施加力,該力使電荷載流子,電子和空穴偏轉到半導體板的任一側。電荷載流子的這種運動是它們經過半導體材料所經受的磁力的結果。
 
當這些電子和空穴移動側邊時,通過這些電荷載流子的積累在半導體材料的兩側之間產生電位差。然后,電子通過半導體材料的運動受到與其成直角的外部磁場的影響,并且這種效果在扁平矩形材料中更大。
 
通過使用磁場產生可測量電壓的效果被稱為18世紀70年代后發現它的霍華德霍爾的霍爾效應,霍爾效應的基本物理原理是洛倫茲力。以產生跨越所述裝置的電勢差的磁通線必須垂直,(90 ø到的電流的流動),并按照正確的極性,通常一個南極的。
 
霍爾效應提供有關磁極類型和磁場大小的信息。例如,南極會導致器件產生電壓輸出,而北極則無效。通常,當沒有磁場存在時,霍爾效應傳感器和開關被設計為處于“關閉”狀態(開路狀態)。它們僅在經受足夠強度和極性的磁場時才變為“接通”,(閉路狀態)。
 
霍爾效應磁傳感器
 
基本霍爾元件的輸出電壓(稱為霍爾電壓,(V H))與通過半導體材料的磁場強度(輸出αH )成正比 。這個輸出電壓可以非常小,即使受到強磁場也只有幾微伏,因此大多數商用霍爾效應器件都是通過內置直流放大器,邏輯開關電路和穩壓器制造的,以提高傳感器的靈敏度,滯后和輸出電壓。這也使霍爾效應傳感器能夠在更廣泛的電源和磁場條件下工作。
 
霍爾效應傳感器
 
一文解析霍爾效應傳感器
 
霍爾效應傳感器提供線性或數字輸出。線性(模擬)傳感器的輸出信號直接取自運算放大器的輸出,輸出電壓與通過霍爾傳感器的磁場成正比。該輸出霍爾電壓如下:
 
一文解析霍爾效應傳感器
一文解析霍爾效應傳感器
 
線性或模擬傳感器提供連續的電壓輸出,其隨著強磁場而增加,并且隨著弱磁場而減小。在線性輸出霍爾效應傳感器中,隨著磁場強度的增加,放大器的輸出信號也會增加,直到它開始飽和電源施加的限制。任何額外的磁場增加都不會對輸出產生影響,但會使其更加飽和。
 
另一方面,數字輸出傳感器具有施密特觸發器,內置滯后連接到運算放大器。當通過霍爾傳感器的磁通量超過預設值時,器件的輸出在其“關閉”狀態之間快速切換到“接通”狀態而沒有任何類型的接觸反彈。當傳感器移入和移出磁場時,這種內置滯后消除了輸出信號的任何振蕩。然后數字輸出傳感器只有兩種狀態,“ON”和“OFF”。
 
有兩種基本類型的數字霍爾效應傳感器,雙極和單極。雙極傳感器需要一個正磁場(南極)來操作它們,一個負磁場(北極)釋放它們,而單極傳感器只需要一個磁性南極來操作和釋放它們進出磁場領域。
 
大多數霍爾效應器件不能直接切換大電氣負載,因為它們的輸出驅動能力非常小,大約10到20mA。對于大電流負載,將一個集電極開路(電流吸收)NPN晶體管添加到輸出端。
 
該晶體管在其飽和區域內作為NPN吸收開關工作,只要施加的磁通密度高于“ON”預設點,就會使輸出端短接到地。
 
輸出開關晶體管可以是開放式發射極晶體管,開路集電極晶體管配置或兩者都提供推挽輸出型配置,其可以吸收足夠的電流以直接驅動許多負載,包括繼電器,電動機,LED和燈。
 
霍爾效應應用
 
霍爾效應傳感器由磁場激活,并且在許多應用中,該裝置可以由連接到移動軸或裝置的單個永磁體操作。有許多不同類型的磁鐵運動,例如“正面”,“側面”,“推拉”或“推 - 推”等感應運動。對于每種類型的配置,為確保最大靈敏度,磁通線必須始終垂直于設備的感應區域,并且必須具有正確的極性。
 
同樣為了確保線性,需要高磁場強度的磁體,其對于所需的運動產生大的場強變化。有運動的用于檢測磁場幾個可能的路徑,和下面是兩個使用單個磁體更常見的感測配置的:頭接通檢測和側身檢測。
 
正面檢測
 
一文解析霍爾效應傳感器
 
顧名思義,“正面檢測”要求磁場垂直于霍爾效應傳感裝置,并且為了檢測,它直接朝向活動面接近傳感器。一種“正面”的方法。
 
這種正面接近方法產生輸出信號V H,其在線性裝置中表示磁場強度,磁通密度,作為遠離霍爾效應傳感器的距離的函數。磁場越近,因此磁場越強,輸出電壓越大,反之亦然。
 
線性器件還可以區分正磁場和負磁場。可以使非線性裝置在遠離磁體的預設氣隙距離處觸發輸出“ON”以指示位置檢測。
 
側向檢測
 
一文解析霍爾效應傳感器
 
第二傳感配置是“側向檢測”。這需要以橫向運動的方式將磁鐵移過霍爾元件的表面。
 
側向或滑動通過檢測是用于檢測磁場的存在,因為它移過霍爾元件的面例如固定的氣隙距離內,計數旋轉磁體或電動機的旋轉速度是有用的。
 
取決于磁場經過傳感器的零場中心線時的位置,可以產生表示正輸出和負輸出的線性輸出電壓。這允許定向移動檢測,其可以是垂直的也可以是水平的。
 
霍爾效應傳感器有許多不同的應用,尤其是接近傳感器。它們可以代替光學和光傳感器使用,環境條件包括水,振動,污垢或油,例如汽車應用。霍爾效應器件也可用于電流檢測。
 
當電流通過導體時,會在其周圍產生圓形電磁場。通過將霍爾傳感器放置在導體旁邊,可以從產生的磁場測量從幾毫安到數千安培的電流,而無需大型或昂貴的變壓器和線圈。
 
除了檢測磁鐵和磁場的存在與否,霍爾效應傳感器還可以通過在設備的有效區域后面放置一個小的永久“偏置”磁鐵來檢測鐵磁材料,如鐵和鋼。傳感器現在處于永久和靜態磁場中,通過引入含鐵材料對該磁場的任何變化或干擾都將被檢測到,其靈敏度可能低至mV / G.
 
根據設備的類型,無論是數字還是線性,有許多不同的方法可將霍爾效應傳感器連接到電氣和電子電路。一個非常簡單且易于構造的示例是使用如下所示的發光二極管。
 
位置檢測器
 
一文解析霍爾效應傳感器
 
當沒有磁場存在時,該正面位置檢測器將“關閉”(0高斯)。當永磁體南極(正高斯)垂直向霍爾效應傳感器的有效區域移動時,器件變為“ON”并點亮LED。一旦切換為“ON”,霍爾效應傳感器就會保持“ON”狀態。
 
為了使設備和LED“關閉”,必須將磁場降低到單極傳感器的釋放點以下或暴露于雙極傳感器的磁北極(負高斯)。如果需要霍爾效應傳感器的輸出來切換較大的電流負載,則可以用更大的功率晶體管代替LED 。
 
 
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