霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。本文簡要介紹其工作原理， 產(chǎn)品特性及其典型應(yīng)用。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，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、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μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－55℃～150℃。 按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件和 霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 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)變成電量來進行檢測和控制。 

一 霍爾器件的工作原理 
在磁場作用下，通有電流的金屬片上產(chǎn)生一橫向電位差如圖1所示： 
這個電壓和磁場及控制電流成正比： 
VH＝K╳｜H╳IC｜ 
式中VH為霍爾電壓，H為磁場，IC為控制電流，K為霍爾系數(shù)。 
在半導(dǎo)體中霍爾效應(yīng)比金屬中顯著，故一般霍爾器件是采用半導(dǎo)體材料制作的。 
用霍爾器件，可以進行非接觸式電流測量，，當(dāng)電流通過一根長的直導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場與霍爾器件的輸出有良好的線性關(guān)系，因此可利用霍爾器件測得的訊號大小，直接反應(yīng)出電流的大小，即： I∞B∞VH 
其中I為通過導(dǎo)線的電流，B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁場，VH為霍爾器件在磁場B中產(chǎn)生的霍爾電壓、當(dāng)選用適當(dāng)比例系數(shù)時，可以表示為等式。霍爾傳感器就是根據(jù)這種工作原理制成的。 

二 霍爾傳感器的應(yīng)用 
1 霍爾接近傳感器和接近開關(guān) 
在霍爾器件背后偏置一塊磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個殼體內(nèi)，做成一個探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來，構(gòu)成如圖1所示的接近傳感器。它們的功能框見圖19。(a)為霍爾線性接近傳感器，(b)為霍爾接近開關(guān)。 


a)霍爾線性接近傳感器 

(b)霍爾接近開關(guān) 
圖2 霍爾接近傳感器的功能框圖 
霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計數(shù)，黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測、測速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。 
霍爾接近開關(guān)主要用于各種自動控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動計數(shù)、各種計數(shù)、各種流程的自動銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測等等。3.2.7霍爾翼片開關(guān) 
霍爾翼片開關(guān)就是利用遮斷工作方式的一種產(chǎn)品，它的外形如圖20所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示于圖21。 


2 霍爾齒輪傳感器 
如圖4所示,新一代的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于新一代的汽車智能發(fā)動機，作為點火定時用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動系統(tǒng)）作為車速傳感器等。 
在ABS中，速度傳感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意圖如圖23所示。圖中，1是車速齒輪傳感器；2是壓力調(diào)節(jié)器；3是控制器。在制動過程中，控制器3不斷接收來自車速齒輪傳感器1和車輪轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖信號并進行處理，得到車輛的滑移率和減速信號，按其控制邏輯及時準(zhǔn)確地向制動壓力調(diào)節(jié)器2發(fā)出指令，調(diào)節(jié)器及時準(zhǔn)確地作出響應(yīng)，使制動氣室執(zhí)行充氣、保持或放氣指令，調(diào)節(jié)制動器的制動壓力，以防止車輪抱死，達到抗側(cè)滑、甩尾，提高制動安全及制動過程中的可駕馭性。在這個系統(tǒng)中，霍爾傳感器作為車輪轉(zhuǎn)速傳感器，是制動過程中的實時速度采集器，是ABS中的關(guān)鍵部件之一。 
在汽車的新一代智能發(fā)動機中，用霍爾齒輪傳感器來檢測曲軸位置和活塞在汽缸中的運動速度，以提供更準(zhǔn)確的點火時間，其作用是別的速度傳感器難以代替的，它具有如下許多新的優(yōu)點。 
（1）相位精度高，可滿足0.4°曲軸角的要求，不需采用相位補償。 
（2）可滿足0.05度曲軸角的熄火檢測要求。 
（3）輸出為矩形波，幅度與車輛轉(zhuǎn)速無關(guān)。在電子控制單元中作進一步的傳感器信號調(diào)整時，會降低成本。 
用齒輪傳感器，除可檢測轉(zhuǎn)速外，還可測出角度、角速度、流量、流速、旋轉(zhuǎn)方向等等。 


1. 車輪速度傳感器2.壓力調(diào)節(jié)器3.電子控制器 
2. 圖4 ABS氣制動系統(tǒng)的工作原理示意圖 
3 旋轉(zhuǎn)傳感器 
按圖5所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器。霍爾電路通電后，磁體每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。 

(a)徑向磁極(b)軸向磁極(c)遮斷式 
圖5 旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設(shè)置 
由此，可對轉(zhuǎn)動物體實施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等，這些應(yīng)用的實例如圖25所示。 
圖6的殼體內(nèi)裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測流體從管道一端通入，推動葉輪帶動與之相連的磁體轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量?；魻栯娐酚呻娎|35來供電和輸出。 

由圖7可見，經(jīng)過簡單的信號轉(zhuǎn)換，便可得到數(shù)字顯示的車速。 
利用鎖定型霍爾電路，不僅可檢測轉(zhuǎn)速，還可辨別旋轉(zhuǎn)方向，如圖27所示。 
曲線1對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖（a）,曲線2對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖(b)，曲線3對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖(c)。 

4 在大電流檢測中的應(yīng)用 
在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及高能物理（例如可控核聚變）試驗裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來進行大電流的測量和控制，既可滿足測量準(zhǔn)確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測試裝置。圖9示出一種用于DⅢ－D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器，可檢測高達到300kA的電流。 

(a)G10安裝結(jié)構(gòu)(b)電纜型多霍爾探頭(c)霍爾電壓放大電路 


(a)霍爾控制電路 
(b)霍爾磁場電路 

5 霍爾位移傳感器 
若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖15示出3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達1μm，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。 

用霍爾元件測量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 
以微位移檢測為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。 
6 霍爾壓力傳感器 
霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖16所示。在圖16中，（a）的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如圖29中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的p～f(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。 

7 霍爾加速度傳感器 
圖17示出霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點上固定均質(zhì)彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當(dāng)它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產(chǎn)生一個相對盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓VH的變化?？蓮腣H與加速度的關(guān)系曲線上求得加速度。 

三 小結(jié) 
目前霍爾傳感器已從分立元件發(fā)展到了集成電路的階段，正越來越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。