霍爾效應傳感器可測量磁場和檢測位置

霍爾效應開關和儀器級傳感器在工業應用中正變得越來越普及,如今產品和製造工藝設計師可以選用高度集成的各種霍爾效應器件。雖然在需要哪些規範以及磁場測量方面總的來說仍有許多困惑,但這些器件已被證明應用起來相當簡便。

在使用數量上只有溫度傳感器略勝一籌,但霍爾效應傳感器亦已被用於國內和商業應用中種類廣泛的設備,包括DVD、CD、內存驅動器、自動玩具、手機、汽車羅盤以及汽車點火系統。你還可以在線性、工業旋轉設備、位置檢測器以及軍事/航空設備中見到它們的身影。

製造和測試工程師使用各種類型的分立霍爾效應傳感器與儀器提供產品信息並監視製造工藝步驟。雖然在測量功能上與其它類型的傳感與儀器可能有些重疊,但對於某些類型的測量來說霍爾效應傳感器明顯是最佳選擇,甚至有些情況下沒有其它類型的測試設備能夠提供所需的數據,其中就包括對直流電流值、旋轉位置、間隙、表面或洩漏磁場值的測量。霍爾效應傳感器歷史部分提供了有關這些傳感器的一些背景知識。

霍爾效應傳感器的工作原理

當以一定角度穿過一片材料的磁場影響到在此材料中流動的電流時就會產生霍爾電壓。霍爾片通常是一片矩形的半導體材料,作為有源元件或“有源區域”產生霍爾電壓(圖1)。霍爾片有給定的長度l、寬度w和厚度t。

霍爾效應傳感器可測量磁場和檢測位置

圖1:可以用直流磁場產生和測量霍爾電壓


測量霍爾電壓

對於與霍爾片正交的磁通量矢量來說,最大霍爾電壓VH就是霍爾片磁場靈敏度γB 與磁場通量密度B的乘積,即: VH = γBB

這是在霍爾片上可以測得的最大霍爾電壓。當霍爾片表面與磁通量矢量不是正交而是呈一個角度θ時,霍爾電壓VH等於:VH = γBB × sinθ

電流I流經長度為l的霍爾片。電流是在觸點Ic(+)和Ic(-)之間流動的。磁場處於z方向,也就是說正交於霍爾片平面。由磁場施加的力被稱為洛倫茲力,它迫使電荷載體(空穴或電子)沿著圖示線條曲線向霍爾片邊緣移動。這個力是載流子速度和磁場強度的一個係數。最終在寬度為w的材料的觸點VH(+)和VH(-)之間測到的霍爾電壓正比於磁場的通量密度。

儀器配置

霍爾效應傳感器的支持設備包括用於提供電流Ic的電流源和用於測試觸點VH(+)和VH(-)之間霍爾電壓的電壓表。有些方案還採用負載電阻RL用於電壓測量,如圖2所示。許多類型的霍爾效應儀器提供這種支持電路的某個部分作為測量系統的有機組成部分。來自觸點VH(+)和VH(-)的電壓引線可以直接連接到高阻電壓表進行讀數,或連接到其它電路進行放大、調整和處理。(使用交流源和鎖相放大器的更復雜系統也可以用,但不在本文討論範圍內)


霍爾效應傳感器可測量磁場和檢測位置

圖2:儀器中使用的霍爾發生器的典型配置

應用

在工業環境中,霍爾效應器件一般服務於以下兩種主要應用之一:

● 測量磁場強度

● 檢測移動物體的接近、位置和旋轉參數


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