霍尔效应、霍尔元件与霍尔传感器

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1、简介

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。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。利用霍尔效应制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。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、霍尔效应及其本质

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图1 霍尔效应示意图

在式(1)中:若保持控制电流Ic不变,在一定条件下,可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小,由此建立了磁场与电压信号的联系,根据这一关系式,人们研制了用于测量磁场的半导体器件即霍尔元件。

霍尔效应的本质是: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。大量的研究揭示:参加材料导电过程的不仅有带负电的电子,还有带正电的空穴。

3、霍尔元件及其应用

根据霍尔效应,人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。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。

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。

4、霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。(1) 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。(2) 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成,它输出数字量。

  按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。

5、霍尔电压电流传感的使用注意事项

(1) 电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同规格的产品。被测电流长时间超额,会损坏末级功放管(指磁补偿式),一般情况下,2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。

(2) 电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1,以使原边得到额定电流,在一般情况下,2倍的过压持续时间不得超过1分钟。

(3) 电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的,所以当被测电流高于电流传感器的额定值时,应选用相应大的传感器;当被测电压高于电压传感器的额定值时,应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时,为了得到最佳精度,可以使用多绕圈数的办法。

(4) 绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中,6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中,注意不要超压使用。

(5) 在要求得到良好动态特性的装置上使用时,最好用单根铜铝母排并与孔径吻合,以大代小或多绕圈数,均会影响动态特性。

(6) 在大电流直流系统中使用时,因某种原因造成工作电源开路或故障,则铁心产生较大剩磁,是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源,在原边通一交流并逐渐减小其值。

(7) 传感器抗外磁场能力为:距离传感器5~10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流,所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时,相间距离应大于5~10cm。

(8) 传感器的磁饱和点和电路饱和点,使其有很强的过载能力,但过载能力是有时间限制的,试验过载能力时,2倍以上的过载电流不得超过1分钟。

(9) 原边电流母线温度不得超过85℃,这是ABS工程塑料的特性决定的,用户有特殊要求,可选高温塑料做外壳。

6、霍尔器件的优点

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℃到零上150℃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。

霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。

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利用霍尔效应这种性质制作的、可以检测磁性的传感器就叫做霍尔传感器。霍尔效应(英: Hall effect)是指向通电的物体施加垂直于电流方向的磁场时,垂直于电流和磁场的方向会产生电动势的现象。这种效应主要应用于半导体元件。由于是美国物理学家霍尔(英:Edwin Herbert Hall, 1855-1938)于1879年发现的,因此被称为霍尔效应。

ROHM半导体公司的新型非接触式电流传感器IC介绍

ROHM款是一款拥有业界最小尺寸的非接触式电感测器——BM14270MUV-LB。它在超紧凑的尺寸下提供的最小的功率损耗(无量热),由于采用非接触的测量方式,测量损耗几乎为零。使其成为通过电流检测工作条件的工业设备和消费设备的理想选择。其应用场景总括电池动态无人机,太阳能系统和需求高功率的资料中心伺服器。

霍尔传感器的工作原理

距今139年前的1879年,时年24岁的物理学家霍尔,在读研究生二年级的时候, 他在一次研究金属的导电机制的试验中发现:当电流垂直于磁场通过导体时,会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差。当磁通密度发生变化时,电势差也就是电压也会产生相应的变化。

霍尔效应、霍尔元件与霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。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。利用霍尔效应制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。