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霍爾效應(yīng)傳感器的主要作用是識別電機(jī)繞組相位位置信息轉(zhuǎn)換為電信號，驅(qū)動器通過讀取霍爾元件的輸出端電平信號，得到轉(zhuǎn)子的位置信息，邏輯開關(guān)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息完成正確的換向，給電機(jī)對應(yīng)繞組通以電流，形成氣隙旋轉(zhuǎn)磁場使電機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)?；魻栃?yīng)傳感器廣泛用于識別電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間相對位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電子換相。
概述
霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。
原理
由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢的大小取決于：Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強(qiáng)度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。
對于一個給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流Ic固定時，Vh將完全取決于被測的磁場強(qiáng)度B。
一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。
在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。
元件
根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動化、計算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
分類
霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。
?。ㄒ唬╅_關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。
?。ǘ┚€性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。
線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。.
開關(guān)型
如圖4所示，其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動作點(diǎn)Bop時，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動作點(diǎn)Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與BRP之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。
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鎖鍵型
如圖5所示，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動作點(diǎn)Bop時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，而在外磁場撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時，才能使電平產(chǎn)生變化。
線性型
輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
開環(huán)式電流傳感器
由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。 霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。
閉環(huán)式電流傳感器
磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器，也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈，電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。
磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場 ，該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場， 使霍爾器件的輸
出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態(tài)平衡的過程。
霍爾電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz正弦波；
2、 原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離；
3、精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量；
4、線性度好：優(yōu)于0.1%；
6、測量范圍：霍爾傳感器為系列產(chǎn)品，電流測量可達(dá)50KA，電壓測量可達(dá)6400V。
7、過載能力強(qiáng)：當(dāng)原邊電流超負(fù)荷，模塊達(dá)到飽和，可自動保護(hù)，即使過載電流是額定值的20倍時，模塊也不會損壞。
霍爾電流傳感器使用時，需遵循以下注意事項(xiàng)：
1、為了得到較好的動態(tài)特性和靈敏度，必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合，要耦合得好，最好用單根導(dǎo)線且導(dǎo)線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑。
2、使用中當(dāng)大的直流電流流過傳感器原邊線圈，且次級電路沒有接通電源|穩(wěn)壓器或副邊開路，則其磁路被磁化，而產(chǎn)生剩磁，影響測量精度（故使用時要先接通電源和測量端M），發(fā)生這種情況時，要先進(jìn)行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線圈中通一同樣等級大小的交流電流并逐漸減小其值。
3、霍爾傳感器都具有較強(qiáng)的抗外磁場干擾能力，但是，為了獲得較高的測量準(zhǔn)確度，當(dāng)有較強(qiáng)的磁場干擾時，要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q。通常方法有：
調(diào)整模塊方向，使外磁場對模塊的影響最??；
在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩。
4、測量的最佳精度是在額定值下得到的，當(dāng)被測電流遠(yuǎn)低于額定值時，要獲得最佳精度，原邊可使用多匝，但是，需要注意導(dǎo)線的空間位置（參照第一條）。
應(yīng)用
霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。
霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。
按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。
位移測量
兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。
力測量
如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，按這一原理可制成的力傳感器。
角速度測量
在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計數(shù)器），若接入頻率計，便可測出轉(zhuǎn)速。
線速度測量
如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動車輛上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運(yùn)動速度。
注意事項(xiàng)
?。?）電流傳感器必須根據(jù)被測電流的額定有效值適當(dāng)選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測電流長時間超額，會損壞末極功放管（指磁補(bǔ)償式），一般情況下，2倍的過載電流持續(xù)時間不得超過1分鐘。
?。?）電壓傳感器必須按產(chǎn)品說明在原邊串入一個限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續(xù)時間不得超過1分鐘。
（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當(dāng)被測電流高于電流傳感器的額定值時，應(yīng)選用相應(yīng)大的傳感器；當(dāng)被測電壓高于電壓傳感器的額定值時，應(yīng)重新調(diào)整限流電阻。當(dāng)被測電流低于額定值1/2以下時，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數(shù)的辦法。
?。?）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長期正常工作在1KV及以下交流系統(tǒng)和1.5KV及以下直流系統(tǒng)中，6KV的傳感器可以長期正常工作在2KV及以下交流系統(tǒng)和2.5KV及以下直流系統(tǒng)中，注意不要超壓使用。
?。?）在要求得到良好動態(tài)特性的裝置上使用時，最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數(shù)，均會影響動態(tài)特性。
（6）在大電流直流系統(tǒng)中使用時，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心產(chǎn)生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流并逐漸減小其值。
?。?）傳感器抗外磁場能力為：距離傳感器5～10cm一個超過傳感器原邊電流值2倍的電流，所產(chǎn)生的磁場干擾可以抵抗。三相大電流布線時，相間距離應(yīng)大于5～10cm。
?。?）為了使傳感器工作在最佳測量狀態(tài)，應(yīng)使用圖1－10介紹的簡易典型穩(wěn)壓電源。
?。?）傳感器的磁飽和點(diǎn)和電路飽和點(diǎn)，使其有很強(qiáng)的過載能力，但過載能力是有時間限制的，試驗(yàn)過載能力時，2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。
?。?0）原邊電流母線溫度不得超過85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。
案例
霍爾傳感器技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)
霍爾傳感器技術(shù)在汽車工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，包括動力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動系統(tǒng)。為了滿足不同系統(tǒng)的需要，霍爾傳感器有開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。[1]
霍爾傳感器可以采用金屬和半導(dǎo)體等制成，效應(yīng)質(zhì)量的改變?nèi)Q于導(dǎo)體的材料，材料會直接影響流過傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時，汽車工業(yè)通常使用三種半導(dǎo)體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導(dǎo)體材料當(dāng)屬砷化銦。
霍爾傳感器的形式?jīng)Q定了放大電路的不同，其輸出要適應(yīng)所控制的裝置。這個輸出可能是模擬式，如加速位置傳感器或節(jié)氣門位置傳感器，也可能是數(shù)字式。如曲軸或凸輪軸位置傳感器。
當(dāng)霍爾元件用于模擬式傳感器時，這個傳感器可以用于空調(diào)系統(tǒng)中的溫度表或動力控制系統(tǒng)中的節(jié)氣門位置傳感器。霍爾元件與微分放大器連接，放大器與NPN晶體管連接。磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸上，軸在旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件上的磁場加強(qiáng)。其產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場強(qiáng)度成比例。
當(dāng)霍爾元件用于數(shù)字信號時，例如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器或車速傳感器，必須首先改變電路。霍爾元件與微分放大器連接，微分放大器與施密特觸發(fā)器連接。在這種配置中。傳感器輸出一個開或關(guān)的信號。在多數(shù)汽車電路中，霍爾傳感器是電流吸收器或者使信號電路接地。要完成這項(xiàng)工作，需要一個NPN晶體管與施密特觸發(fā)器的輸出連接。磁場穿過霍爾元件，一個觸發(fā)器輪上的葉片在磁場和霍爾元件之間通過。
霍爾探頭
霍爾探頭使用銦的化合物晶體，如娣化銦。晶體大小為5平方毫米左右，置于鋁基上，通過封裝成為探頭。晶體平面垂直于探頭底側(cè)，底側(cè)由非鐵磁材料制成，以避免自身影響磁場。引線自晶體出發(fā)，穿過底側(cè)，進(jìn)入到電路模塊。
把探頭置于磁場中，當(dāng)電流流經(jīng)晶體時，載流子受洛倫茲力作用出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子在晶體上的分布不均勻，晶體兩端的鋁基上因此可以探測到霍爾電壓。
霍爾探頭可以測量微弱的地球磁場?；魻?span id="nfgbodr" class="hrefStyle">探測器首先需要根據(jù)已知磁場強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)校。然后，探頭需要以適當(dāng)方向放置以使地磁場磁流線直接穿過它。然后再以反方向放置，所讀出的流密度是地球磁流密度的兩倍。
怎么測量好壞
測量霍爾傳感器的好壞，可以通過多種方法進(jìn)行，這些方法涵蓋了傳感器的物理完整性、電氣性能、磁場響應(yīng)精度和環(huán)境耐受性等方面。以下是一些具體的測量方法：
一、外觀檢查
首先，進(jìn)行外觀檢查，查看霍爾傳感器外殼是否有破損或劃痕，引腳是否完好無損，沒有彎曲或斷裂。這是判斷傳感器物理完整性的基本步驟。
二、電氣性能測試
1、電壓測試：
使用萬用表測量霍爾傳感器的電源電壓，確保符合其規(guī)格要求。
測量霍爾傳感器的輸出電壓，觀察其是否能隨磁場強(qiáng)度的變化而變化。具體操作可以是：將霍爾傳感器從電機(jī)上拆下來（如適用），將其電壓輸出端與萬用表相連接，準(zhǔn)備一個小磁鐵，靠近霍爾傳感器，觀察萬用表上的電壓變化。如果電壓出現(xiàn)下降的趨勢（通過調(diào)整磁鐵的磁極來測驗(yàn)），那么說明霍爾傳感器是好的；如果數(shù)字不變，則表明霍爾傳感器可能損壞。
2、電流測試：
使用電流表測量霍爾傳感器的電源電流，確保在正常范圍內(nèi)。
測量霍爾傳感器的輸出電流，觀察其是否隨磁場強(qiáng)度的變化而變化。這通常需要在測試過程中逐漸改變磁場強(qiáng)度，并觀察輸出電流的變化情況。
三、磁場響應(yīng)測試
1、靈敏度測試：
使用磁鐵接近霍爾傳感器，觀察其輸出電壓或電流的變化。靈敏度越高的霍爾傳感器，對磁場變化的響應(yīng)越明顯。
也可以利用磁場測試儀器來測試霍爾傳感器的靈敏度和響應(yīng)時間，將磁場測試儀器放置在霍爾傳感器附近，并逐漸增加磁場的強(qiáng)度，觀察傳感器的響應(yīng)情況。
2、遲滯測試：
將霍爾傳感器置于磁場中，然后緩慢地移動磁鐵，觀察輸出電壓或電流變化是否存在遲滯現(xiàn)象。遲滯現(xiàn)象越小，霍爾傳感器的精度越高。
四、環(huán)境耐受性測試
1、溫度測試：
霍爾傳感器的性能受溫度的影響較大，因此測試其溫度特性非常重要。將霍爾傳感器置于不同的溫度下，并測試其輸出電壓或電流的變化。好的霍爾傳感器在其工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)具有穩(wěn)定的輸出。
2、可靠性測試：
對霍爾傳感器進(jìn)行振動、沖擊和老化等可靠性測試，合格的霍爾傳感器應(yīng)能承受這些環(huán)境因素的影響。
五、其他測試方法
使用無刷電動車綜合檢測儀：對于某些應(yīng)用場景（如電動車），可以使用無刷電動車綜合檢測儀來測量霍爾傳感器的好壞。將檢測儀與霍爾傳感器連接，通過特定操作觀察檢測儀的指示燈狀態(tài)，以判斷傳感器是否正常工作。
數(shù)字萬用表二極管檔測試：使用數(shù)字萬用表二極管檔來檢測霍爾傳感器的紅線與地線的正向電阻和反向電阻，通過具體數(shù)值來判斷傳感器的好壞。
綜上所述，測量霍爾傳感器的好壞需要綜合考慮多個方面，包括外觀檢查、電氣性能測試、磁場響應(yīng)測試和環(huán)境耐受性測試等。通過這些測試方法，可以有效評估霍爾傳感器的優(yōu)劣，確保其符合規(guī)格要求并能在實(shí)際應(yīng)用中正常工作。
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