11霍尔效应及霍尔传感器应用

霍尔效应及霍尔传感器应用

霍尔效应Hall Effect是一种磁电效应，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。

通过该实验可以了解霍尔效应的物理原理以及把物理原理应用到测量技术中的基本过程。

当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。

霍尔效应原理

所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为

UH=RHIB/d（18）

RH=1/nq（金属）（19）

式中RH——霍尔系数；

n——载流子浓度或自由电子浓度；

q——电子电量；

I——通过的电流；

B——垂直于I的磁感应强度；

d——导体的厚度。

对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（19）不同，此处从略。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。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。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。

利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。

如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

霍尔效应在应用技术中特别重要。

霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

好比一条路，本来大家是均匀的分布在路面上，往前移动.当有磁场时，大家可能会被推到靠路的右边行走.故路(导体)的两侧，就会产生电压差.这个就叫“霍尔效应”。

方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a,b,d，磁场垂直ab平面。电流经过ad，电流I =nqv(ad)，n为电荷密度。设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。

设磁场强度为B。

qVH / a = qvB

VH / a = BI / (nqad)

VH = BI / (nqd)

霍尔效应的应用

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。

讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS 系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

例如：汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。

用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。

霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

霍尔效应的定义

定义1

霍尔效应是指当施加的外磁场垂直于半导体中流过的电流时，会在半导体垂直于磁场和电流的方向上产生霍尔电动势

源自：高速磁浮列车磁场测量系统的设计《仪表技术与传感器》2004年田武刚，潘孟春，罗飞路，陈棣湘

来源文章摘要：高速磁浮列车磁场主要分布在列车和轨道之间很小的空气隙中，气隙磁场是一个恒定磁场和交变磁场的叠加磁场，而且磁感应强度很大，最大可达12T.针对高速磁浮列车磁场分布的特殊性，设计了一套两自由度磁场的闭环自动化测量系统。系统的设计基于PC机，可以实现对列车磁场中的固定点和一段距离上的磁场大小的自动化测量，并将测量数据存入数据库以便于进一步处理分析。在列车实验平台磁场的实际测量中，该系统性能稳定，测量范围可达0～15T.

定义2：

UH称为霍尔电势，其大小可表示为：图回霍尔效应原理图式中RH称为霍尔系数由半导体材料的性质决定

源自：霍尔传感器在电参量测量中的应用《中国民航学院学报》1999年刘建英

来源文章摘要：介绍了霍尔传感器在测量交流电参量中的应用，着重分析了采用单片机及霍尔元件测量电功率的几种方法及其优缺点，并提出了本文采用的方法。

定义3：

这个现象称为霍尔效应，所产生的电压差ΔU称为霍尔电压差(也称霍尔电压).由经典电