霍尔式传感器：工作原理及应用

霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测量(如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等)转换成电动势输出的一种传感器。它具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽(从直流到微波)、动态范围(输出电动势的变化)大、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化等优点,正越来越受到人们的重视。

1.霍尔元件的结构和基本电路

(1)霍尔元件的结构

霍尔元件的结构是简单的四端子结构。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成,如图3.46(a)所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片,引出四根引线。1、1′两根引线加激励电压或电流,称为激励电极(控制电极);2、2′引线为霍尔输出引线,称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中,霍尔元件一般可用两种符号表示,如图3.46(b)所示。

图3.46　霍尔元件结构示意图

(2)基本电路

图3.47是霍尔器件的基本电路图,图中I为控制电流(由电源E 供给),R为调节电阻,V 为控制电压,UH为霍尔电势,IH为霍尔电流。霍尔输出端接负载RL,RL可以是一般电阻或放大器的输入电阻或表头内阻等。磁场B 垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下,负载获得电压。实际使用时,器件输入信号可以是I 或B,或者IB,而输出信号可以正比于I 或B,或者正比于其乘积IB。

图3.47　霍尔器件的基本电路图

2.霍尔式传感器的应用(https://www.xing528.com)

(1)霍尔开关传感器

霍尔开关传感器是利用霍尔效应与集成电路技术而制成的一种磁敏传感器,它能感知一切与磁信息有关的物理量,并以开关信号形式输出。霍尔开关传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。如图3.48所示,霍尔开关传感器由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作;开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路对接。

图3.48　霍尔开关传感器内部结构框图

(2)霍尔线性传感器

霍尔线性传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成,当外加磁场时,霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压,该电压经放大器放大后输出。在实际电路设计中,为了提高传感器的性能,往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍尔开关传感器的输出只有低电平或高电平两种状态,而霍尔线性传感器的输出是对外加磁场的线性感应,因此霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。

霍尔线性传感器有单端输出和双端输出两种。如图3.49所示,单端输出的传感器是一个三端器件,它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应,通常将输出电压用电容连接到外接放大器,将输出电压放大到较高的电平。如图3.50所示,双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件,它可提供差动射极跟随输出,还可提供输出失调调零。

图3.49　单端输出传感器的电路结构框图

图3.50　双端输出传感器的电路结构框图