霍尔效应传感器的基本原理以及应用

霍尔传感器的选型，需根据安装要求（即转子磁
场方向）与霍尔传感器的感应方向，进行合理选 择。霍尼韦尔SS30、SS31x/SS41x 以及 SS36x/SS46x 系列霍尔效应传感器能够为无刷直 流电机提供所需的精确电机转轴位置数据。这些 系列产品包括双极型或双极锁存型霍尔传感器， 它们在整个温度范围内的正（南极）工作点和负 （北极）释放点几乎是磁性对称的，例如，若霍 尔传感器的工作点磁性强度为正90 高斯，那么它 的释放点大约为负90 高斯。
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霍尔效应传感器因其非接触测量、没有运动 部件、使用温度范围宽、响应速度快等特 点，应用越来越广泛，如用于感应电流的 变化，则是电流传感器，用于感应磁场的 变化，则可以做成位置传感器、接近开关 、速度传感器、磁传感器等。
霍尔元件基本结构
由霍尔片、引线和壳体组成, 如图所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个 引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称 为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称 为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元 件可用两种符号表示。
基本电路
霍尔传感器在机车测速中的应用
测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位，对侧速 装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间 。介绍了应用霍尔传感器通过测量磁场强度，来得到稳定 的脉冲方波信号，实现机车转速的测量。 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器， 它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温 等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。对测速 装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间 。发电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测 或用脉冲发生器检测。
霍尔效应传感器基本组成及原理
霍尔效应传感器的工作原理及应用
霍尔效应传感器是基于霍尔效应：当一块导 电的平面与磁力线垂直地放置在磁场中， 将在平面上产生一个与电流方向和磁场方 向都垂直的电场。如图1，当电流流过一个 半导体平面（霍尔单元），与电流平行的 两个端面引出两条导线作为输出信号端， 此时，没有磁场施加在半导体平面，输出 端的电压为零。
霍尔单元只是个基本的磁传感器，对多数应 用来说，还需要信号调理电路，将信号放 大，同时增加温度补偿，使输出信号可以 被其他电路或系统使用。同时如果供电电 源没有稳压，还需要相应的电源调整电路 。
如图3，这是一个基本的霍尔传感器，因为霍尔电压 是与磁场强度成比例，而磁场是有方向的，当磁
场方向变化时，其生成的霍尔电压的极性也发生
• 于要求可靠、精确、经济的无刷直流电机换向应 用来说，下面列出的霍尼韦尔双极或双极锁存型 霍尔效应集成电路将会是一个极佳的选择：
• SS311PT/SS411P，SOT-23 (SS3) 表面贴装封 装或带引线的TO-92 扁平式 (SS4) 封装的低成本 双极霍尔效应数字位置传感器。
• SS30AT，SOT-23 (SS3) 表面贴装封装的增强型 双极霍尔效应数字位置传感器。
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电 路、放大器、施密特触发器、OC门（集电 极开路输出门）等电路做在同一个芯片上 。
Vcc
稳 压
H
差动 施密特 输 放大 触发器 出 输出1
管
恒流
输出2
地
霍尔传感器的潜在应用：速度和转数（RPM ）感应、电机/风扇控制、磁性编码、磁盘 速度、磁带、流速感应、传送带、点火装 置、运动控制/检测、功率/位置检测、磁码 阅读、振动感应、以及重量感应和位置感 应等。
霍尔电压与电流I和磁场强度B的乘积成正比，对 于最常用的硅半导体材料，此比例系数是 7uV/Vs/Gauss，其中,Vs是生成电流I的电压。从 此系数可以看出，生成的霍尔电压是非常小的， 实际应用中，需要放大器对此信号进行放大。
硅半导体材料也有压电效应，当有机械变形时， 会引起其电阻值的变化，这样，当有应力引起硅 变形时，必将影响霍尔传感器的效果，实际应用 中，通常使用多个霍尔单元，来减小机械变形的 影响，如使用两个或四个霍尔单元，
要求，在差分放大器的输出端通常会加上射极开 路电路、集电极开路电路、或推挽式放大电路等 。
数字式输出霍尔传感器
在某些应用中，我们只需要高或低电平，或 者只需开或关的状态，这时，可以在传感 器的差分放大器输出端加上一级施密特触 发电路，如图5所示, 当磁场高于某个值时 ，霍尔传感器输出为高电平，而当磁场强 度下降到另一个值时，霍尔传感器输出变 为低电平。
霍尔效应传感器在汽车上的应用
随着电子技术的发展，汽车的电子化程度也越来 越高。良好汽车控制系统能改善车轮和地面之间 的附着状况，进而改善汽车的安全性、动力性和 舒适性。传感器是电子技术中的核心器件，是一 种进行信号变换的装置，它的作用是把被测的非 电量信号转变成为电量信号，是促进汽车技术全 面发展的关键器件。在汽车底盘电子控制系统中 ，控制工作是离不开传感器的。速度传感器在汽 车控制系统中起着主要作用。
• SS361NT/SS361ST/SS461S，SOT-23 (SS3) 表 面贴装封装或带引线的TO-92 扁平式 (SS4) 封装 的高灵敏度双极锁存型霍尔效应数字位置传感器 。
• SS360PT/SS460P，SOT-23 (SS3) 表面贴装封 装或带引线的TO-92 扁平式 (SS4) 封装的高灵敏 度双极锁存型霍尔效应数字位置传感器。
所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低 ，构造简单，性能好。在机车电气系统中存在着 较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有 较强的抗干扰能力。
霍尔传感器在无刷直流电机中的应用
直流电机中转矩是通过永磁体磁场和绕组中的电 流相互作用产生的，在有刷电机中，换向器通过 切换电枢绕组实现电枢电流的换向与合适的磁场 。而无刷直流电机中，霍尔位置传感器探测转子 旋转磁场的位置，通过逻辑与驱动电路，给相应 的绕组激励。总的说来，绕组根据电机永磁体的 磁场作出反应，从而产生需要的转矩。如图1是一 种三相8极（四对磁极）无刷直流电机基本组成：
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如果与半导体平面垂直的方向加一个磁场 ，如图2，此时，有劳伦茨力施加在电流上 ，使电流分布变形，同时在输出端形成了 电位差。这个电位差就称为霍尔电压，它 的大小与流过的电流I及穿过的磁场强度成 正比。
霍尔集成电路的外形结构与霍尔元件完全不同，
其引出线形式由电路功能决定，根据内部测量电
路和霍尔元件工作条件的不同，分为线性和开关
型两种。
1、线性型 性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动 放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比 直接使用霍尔元件方便得多。线性霍尔集成电路 的特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关 系，较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。
• RW调节控制电流的大小。 • RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示
器内阻。
• 霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S） ，I即可以是直流，也可以是交流。
• 若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数， 通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小 。
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• SS461C霍尔效应传感器应用：应用于速度 传感器用来检测汽车或者卡车曲轴的旋转 情况
• 客户要求较高的灵敏度，SS461C霍尔效应 传感器，可满足客户需求，SS461C霍尔效 应传感器数字式电流沉输出，可提供高输 出电流和高速响应能力
霍尔传感器应用于流量计
霍尔线性传感器可用于流量计制作，当通过 腔体的流速增加时，弹簧连着的翼推动一 个螺旋轴转动，从而提升磁钢引起传感器 的输出变化。 当流速减少时， 卷弹簧引起 组件下降，减少了传感器的输出。磁钢及 螺杆组件用来提供流速测量的线性测量。
变化。所以图中用的是双电源的差分放大器，它
需要正负两组电源，使设计复杂，为简化设计，
通常给差分放大器加上一定的偏置，从而只需要 单电源供电。 当磁场为0时,差分放大器输出一定 的基准电压，当感应到正向磁场时，放大器输出
的电压高于基准电压，当感应到反向磁场时，放 大器输出的电压低于基准电压，如图4是一个简单 的模拟电压输出的霍尔传感器。
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测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号 ，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量 值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。 脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每 转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计 脉冲发生器，能够实现高性能检测。
对于模拟电压输出的霍尔传感器，当正向磁场强
度越大，输出的电压越高，当输出电压达到电源 电压的限制时，输出电压不在随正向磁场强度的 增大而增大，此时，电路达到饱和。同样，当反 向磁场强度越大时，输出的电压越低，当输出电 压达到电源地的限制时，输出电压不再随反向Baidu Nhomakorabea 场强度的增大而减小。
为了增加传感器接口的灵活性，满足更多应用的