原标题：霍尔效应传感器测量磁场并检测位置

　　霍尔效应开关和仪表级传感器在工业应用中变得越来越普遍，现在为产品和制造工艺设计人员封装了各种霍尔效应器件。虽然对于需要哪些规格和一般的磁场测量仍然存在一些困惑，但这些设备已被证明相对容易应用。

　　霍尔效应传感器的数量仅次于温度传感器，在家庭和商业应用中的大量设备中都有发现。这些设备包括 DVD、CD 和内存驱动器、自动玩具、手机、自动指南针和自动点火系统。您还可以在线性、工业旋转和位置传感器以及军事/航空航天设备中找到它们。

　　制造和测试工程师使用各种类型的分立霍尔效应传感器和仪器来提供产品信息并监控制造过程步骤。虽然可能与其他类型的传感和仪器提供的测量功能有一些重叠，但在某些类型的测量中，霍尔效应传感显然是最佳选择，甚至在少数情况下，其他类型的测试设备无法提供所需的数据。其中包括直流电流水平、旋转位置以及间隙、表面或漏场水平的测量。 霍尔效应传感器：历史 提供了有关这些传感器的一些背景信息。

　　霍尔效应传感器操作

　　当通过材料片的磁场影响材料内流动的电流时，就会产生霍尔电压。

　　霍尔板通常是一块矩形的半导体材料片，用作产生霍尔电压(图1 ).霍尔板具有给定长度 l 宽度 w 和厚度 t .

　　图1.可以使用直流磁场生成和测量霍尔电压。

　　测量霍尔电压

　　对于与霍尔板正交的磁通矢量，最大霍尔电压 VH 只是霍尔板 γB 的磁灵敏度与磁场磁通密度 B 的乘积，即：

　　在H = γ B B

　　这是在霍尔板上测量的最大霍尔电压值。如果霍尔板表面与磁通矢量不正交，而是成一定角度 ，则霍尔电压 VH 由下式给出：

　　在H = γ B B × sinθ

　　一电流 我 流经霍尔板的长度 l。电流在触点 Ic(+) 和 Ic(-) 之间流动。磁场在 z 方向上，即与页面平面正交。磁场施加的力，称为 洛伦兹力，促使电荷载流子(空穴或电子)沿所示曲线朝霍尔板边界移动。该力是载流子速度和磁场强度的一个因素。得到的霍尔电压，在材料宽度 w 范围内测量，触点 V 之间H (+) 和 VH (-)，与磁场的磁通密度成正比。

　　检测设置

　　霍尔效应传感器的支持设备包括用于提供电流 Ic 的电流源和用于测量触点 V 之间霍尔电压的电压表H (+) 和 VH (-).一些布置还采用负载电阻器 RL 对于电压测量，如 图2 显示。许多类型的霍尔效应仪器提供该支持电路的一部分作为测量系统的集成部分。电压引线来自触点 VH (+) 和 VH (-) 可以直接连接到高阻抗电压表进行读数，也可以路由到其他电路进行放大、调节和处理。(可以使用使用交流电源和锁相放大器的更复杂的系统，但超出了本文的范围。

　　图2.仪器仪表中使用的霍尔发生器的典型设置。

　　应用

　　在工业环境中，霍尔效应器件通常服务于以下两种主要应用之一

　　测量磁场大小;

　　感测移动物体的接近度、位置和旋转度。

　　我们将逐一介绍这些用途，并提供一些有效使用霍尔效应器件的技巧。

　　用于磁场测量的仪表传感器

　　当工业应用需要精确或经过认证的磁场测量时，通常使用仪器霍尔效应器件。一些更常见的仪器仪表应用包括电磁场控制、半导体离子注入光束控制、磁铁或磁性部件的来料检测、过程中磁化确认、磁场映射、电流检测和连续磁场暴露监测。作为许多这些测量的替代方案，可以使用市售高斯计。然而，在实践中，物理或成本限制通常要求使用分立式霍尔传感器和可用的电子设备。

　　仪器霍尔器件的用户通常希望获得体积或间隙或表面磁场的准确值。根据测量的空间特性，使用适当的安装来固定和定位传感元件。

　　经典霍尔效应传感器通常以横向或轴向配置(图3 ).横向传感器通常很薄，呈矩形，设计用于磁路间隙测量、表面测量和开放现场测量。轴向传感器一般为圆柱形，用于环形磁铁中心孔测量、电磁场、表面场检测、一般场感应等测量。

　　图3.横向和轴向霍尔传感器的基本几何形状。

　　实际考虑

　　高质量的传感器具有高精度、出色的线性度和低温度系数。通常可以使用制造商提供的经过认证的校准数据购买适用于特定测量和仪器的探头。

　　仪器仪表霍尔效应传感器的一些更重要的实际考虑因素是：

　　准确性： 设计人员必须决定特定测量所需的精度。无需信号调理即可获得 1.0% 至 2.0% 的读数精度。0.4%的精度可在许多应用中通过微处理器校正实现。

　　角度：如前所述，霍尔传感器输出随霍尔板和磁场矢量之间角度  的正弦函数而变化。当场矢量垂直于设备的平面(sin 90 度 = 1.0)时，输出最大，当场矢量沿传感器平面放置时，输出最小(大约为零)。制造商以最大输出校准霍尔传感器，因此需要考虑测试夹具或探头的角度误差。

　　温度：宽温度范围和现场操作可用于各种传感器布置。仪表传感器的使用寿命范围为 1.5K (-271°C) 至 448K (+175°C)，温度范围为 0.1 高斯至 300，000 高斯。霍尔传感器具有两个温度系数：一个用于磁灵敏度(校准)，另一个用于偏移(零点)变化。温度对校准的影响是读数误差的百分比，零效应是固定的字段值误差，具体取决于温度。在低磁场读数(低于100高斯)下，偏移偏移更为重要。技术人员应研究制造商对这两个系数的规格，并确定是否可以在特定应用中在整个温度范围内保持所需的精度。

　　输入电流限制：建议设计人员注意所需的输入电流值，并警告不要超过指定的最大值。请记住，霍尔效应器件通常在某个电流值下校准。校准电流的任何变化都会改变传感器的输出。但是，这也是可以利用的特征;只要不超过最大电流，电流加倍会使输出加倍。

　　如前所述，基本仪表霍尔传感器是一块带有四个电触点的低电阻材料。输入和输出电路不是彼此隔离的，您必须避免在输入和输出电路中使用公共连接。为了满足这一要求，您可以使用隔离式电流源或输出的差分输入放大。

　　传感器安装替代方案

　　在某些测量应用中，使用标准探头是不切实际或不可取的。相反，霍尔效应传感器直接安装在机械组件上。定制传感器安装的设计超出了本文的范围。但是，在提供自定义排列时，有一些常规指针可能会有所帮助：

　　脆弱：霍尔传感器可能非常脆弱，并可能因弯曲应力而损坏。避免霍尔板与任何施加直接压力的表面或设备接触。在某些应用中，非导电陶瓷或其他绝缘体用作界面板。

　　粘 接：粘合粘合剂必须仔细选择，以免给传感器增加应力。当温度与室温相差不超过±10°C时，一般环氧树脂(例如5分钟固化型)是令人满意的。不建议灌封，除非在腐蚀性很强的环境条件下。粘合方法也可用于为传感器的引线提供应力消除，将它们与安装基板粘合到位。

　　机加工型腔：这些可用于轴向或横向霍尔传感器，传感器顶部凹在表面下方，以帮助防止压力接触或磨损。

　　管装： 管座 (图4 ) 可用于保护轴向霍尔传感器。

　　推荐的方法是为任何定制安装应用选择最坚固的传感器。采用陶瓷或酚醛树脂封装的装置通常最坚固。

　　图4.轴向传感器可以安装在暴露在外的管式安装座中，也可以嵌入腔体安装中以进行保护。横向传感器通常安装在凹槽中。

　　集成接近和旋转传感器

　　霍尔效应传感器已适用于一系列线性接近检测设备，可响应设备附近磁场的变化。例如，检测到的磁极可能垂直于霍尔板接近传感器，或者在磁体沿传感器平面通过时接近传感器。这种运动会导致产生的电压发生变化。附加的集成电子电路将霍尔电压转换为明显更大的数字兼容信号。

　　角度检测、旋转和速度检测使用相同的霍尔效应原理来测量位置的反复物理变化。对于旋转、速度或角度传感器，磁极连接到旋转物体(如电机轴)上，霍尔板静止不动。角度位置传感器的众所周知的应用包括无刷直流电机换向和发动机曲轴旋转角度的传感。

　　这些类型的接近、旋转和电流检测器件中的每一种都采用霍尔效应“开关”的形式，由霍尔效应输出触发，然后馈入其他集成电路。该开关根据感测磁场的值或最近的磁场值和极性提供二进制高电平或低电平输出。当与载流线圈结合使用时，霍尔效应开关还可以为过流断路器提供电流水平检测。

　　切换操作模式

　　提供的三种主要操作类型是：

　　双极霍尔开关：需要超过指定幅度的北极和南极才能改变状态，并被视为闭锁开关。

　　单极正向霍尔开关：需要一根杆子。根据高于一定幅度或低于最小值(通常没有磁场)的正磁通密度改变状态(低或高)。

　　单极负霍尔开关：需要一根杆子。基于大于某个值或小于最小值(即没有磁场)的负通量密度大小改变状态(高或低)。

　　霍尔板上的磁场决定了输出状态。来自霍尔效应检测器的信号被检测、放大，并用于控制输出端的固态开关元件。与外部逻辑和控制组件(如CMOS或TTL电路)的连接是标准配置，带有外部上拉电阻。集成霍尔效应器件 (图5 )通常由于批量生产而成本低。

　　图5.集成霍尔效应器件的简化原理图。

　　最常见的封装类型是表面贴装或引线印刷线路板兼容(图6 ).与传感器封装相关的正磁场和负磁场方向由制造商在其规格中定义。

　　图6.霍尔效应传感器封装的类型。

　　若要使这些设备在应用程序中更有用，请记住：

　　当需要准确的磁场读数时，选择仪表级设备。计划使用集成的“开关”进行接近检测(角度或线性)。

　　了解磁场大小、交流或直流场、交流频率、温度范围和外部噪声(磁性或电气)等重要参数。

　　尽可能选择更强大的封装。

　　如果要使用永磁体，请咨询磁体制造商以获取帮助。

　　霍尔效应传感器：历史

　　自从Edwin H. Hall博士在1879年用一张金箔试验这种行为以来，霍尔效应的知识就已经存在了。他的发展导致了现代传感器的出现，尽管世界各地的科学家和工程师花费了大量的时间和精力。合适的材料部分是延误的原因。在 1950 年代中期之前，铋是传感器开发中最好的现成材料。虽然仍然不是理想的，但铋提供了足够的霍尔电压和稳定性，可用作电磁场控制器等设备的传感器。

　　1940年代，当III-V族半导体成为苏联研究的主题时，材料科学取得了重大突破。德国西门子公司的科学家首先认识到，这些化合物的新发现特性将制造出特殊的霍尔效应器件(霍尔发生器)。此类半导体表现出霍尔效应利用所需的高载流子迁移率和高电阻率，以及在可变温度下的出色稳定性。到 1950 年代后期，美国俄亥俄州的研究人员意识到砷化铟和锑化铟的独特特性，并从这项研究中衍生出几家公司，生产基于霍尔效应的产品。 砷化铟器件由于其稳定性、低噪声和最小的温度系数，作为仪表传感器仍然无与伦比。

　　多年来，集成电路制造商一直致力于向市场提供硅霍尔效应器件。他们的大批量生产设施和向传感器添加其他电路的能力为低成本、高度通用的设备提供了希望。到 1970 年代后期，硅霍尔效应开关已经发展得很好。施密特触发器和输出晶体管的加入为工业提供了一种响应式设备，其输出变化与磁场的存在与否有关。获得准确和可重复的结果存在一些问题;测量结果通常受到高温度系数和可变开关校准的影响。直到 1980 年代，现代校准和补偿电路才允许当今集成传感器达到的性能水平。