集成霍尔传感器原理与检测方法
Source：Sumzi | Publishing Date：2007-07-26
集成霍尔传感器分为线性型、开关型和锁键型等多种，其主要元件均是利用霍尔效应原理制成的。所谓霍尔效应，指的是这样一种物理现象：如果把通有电流ｉ的导体放在垂直于它的磁场中，则在导体的两侧ｐ１、ｐ２会产生一电势差ｕｈ，它与电流ｉ及磁感应强度ｂ成正比，与导体厚度ｄ成反比，即：ｕｈ＝ｋ（ｉｂ／ｄ），式中ｋ为霍尔系数。霍尔系数越大，表明霍尔效应越显著。人们常利用某些半导体材料（如锗、锑化铟）显著的霍尔效应来制成直流和低频磁场／电压变换器。
以集成线性霍尔传感器ｓｌ－ｎ３５０１ｔ型为例，其外形和电路原理见图１，由稳压器、霍尔电势发生器ｈ和信号放大器组成。传感器的输出电压随外加磁场ｂ的垂直分量大小成线性比例变化，可广泛应用于位置、厚度、重量、速度及电流等检测或控制。
检测方法
仍以ｓｌ－ｎ３５０１ｔ型集成线性传感器为例，其检测连接图如图２。当永久磁铁ｎ极 * 近霍尔传感器时，其输出端电压将增大，如果用ｓ极 * 近，则输出端电压将减小。在这种情况下输出电压的最大变化量取决于永久磁铁的剩磁强弱。在检测电路连接正确无误的情况下，如果永久磁铁的任一个磁极 * 近霍尔传感器时，传感器的输出电压没有任何变化或变化极小，则说明霍尔传感器已经损坏。
霍尔电子元件的结构及其应用电路图
Source：Sumzi | Publishing Date：2007-07-26
基本原理是磁性材料和电桥与运算放大器构成，当有磁场通过霍尔元件内部的磁性材料时，霍尔元件内部的电桥平衡被破坏，这样使运算放大器产生输出变化，根据这样的变化霍尔元件可形成形形色色的检测电路。
霍尔元件内部结构及其应用图：霍尔元件内部结构其实十分简单如图1：基本原理是磁性材料和电桥与运算放大器构成，当有磁场通过霍尔元件内部的磁性材料时，霍尔元件内部的电桥平衡被破坏，这样使运算放大器产生输出变化，根据这样的变化霍尔元件可形成形形色色的检测电路。下面是霍尔元件的形成图解；需要知道更加详细的原理请参考每一种霍尔元件的使用方法！ 例如：你可以购买一个“有计数的CPU风扇”在它的内部就有一个完整“霍尔元件计数器电路”。
实验二十三 霍尔传感器传输速度测量实验
Source：http://202.114.4.28/jpkc/gccsjs/GccsLAB/23.htm | Publishing Date：2007-07-30
一. 实验目的
1. 通过本实验熟悉霍尔传感器的工作原理。
2. 通过本实验了解和掌握采用LHG-5-A型霍尔传感器进行转速测量实验的原理和方法。
二. 实验原理
霍尔传感器是利用霍尔效应来工作的一类传感器的总称。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔元件具有对磁场敏感，结构简单、体积小、频响宽、动态范围大(输出电势的变化大)、无活动部件、使用寿命长等优点，因此在测量技术、自动化技术等方面有着广泛的应用。
利用霍尔输出正比于控制电流和磁感应强度乘积的关系，可分别使其中一个量保持不变，另一个量作为变量；或两者都作为变量。因此，霍尔元件大致可分为三种类型的应用。例如，当保持元件的控制电流恒定，而使元件所感受的磁场因元件与磁场的相对位置、角度的变化而变化时，元件的输出正比于磁感应强度，这方面的应用有测量恒定和交变磁场的高斯计等。当元件的控制电流和磁感应强度都作为变量时，元件的输出与两者乘积成正比，这方面的应用有乘法器、功率计等。
霍尔元件也可以用来测量旋转体转速。利用霍尔元件测量转速的方案很多。其一是将永久磁铁装在旋转体上，霍尔元件装在永久磁铁旁，相隔lmm左右。当永久磁铁通过霍尔元件时，霍尔元件输出一个电脉冲(如图23.1所示)。由脉冲信号的频率便可得到转速值。其二是将永久磁铁装在靠近带齿旋转体的侧面，磁铁N极与S极的距离等于齿距。霍尔元件粘贴在磁极的端面。齿轮每转过一个齿，霍尔元件便输出一个电脉冲，测定脉冲信号的频率便可得到转速值。本实验利用LHG-5-A型霍尔传感器采用第一种方案来进行速度测量。
图23.1 霍尔传感器转速测量
三. 实验仪器和设备
1. 输送线实验台架（LCSX-12-A） 1套 2. 霍尔传感器（LHG-5-A） 1套 3. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 4. 开关电源（LDY-A） 1套 5. 传感器支架（LZJ-A） 1套 6. 个人计算机 n台
四. 实验步骤及内容
1. 输送线传输速度测量实验结构如图23.2所示，将LHG-5-A型霍尔传感器接入输送线模块对应通道。
图23.2 输送线传输速度测量实验结构示意图
2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，从DRVI工具栏中启动“DRVI微型Web服务器”，开始监听8600端口。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器
IP地
址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择 “霍尔传感器传输速度测量”实验，点击附录中“服务器端”脚本文件链接，将本实验的“服务器”端脚本文件读入。 4. 点击“开始”按钮运行服务器端的实验脚本，如果显示波形没有出现近似矩形波，并且相关的速度测量是无效的，请调整脉冲计数门限，直到出现正常的波形为止，如图23.3所示。 5. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕后即可正常运行客户端中所有的功能。
图23.3 转速测量服务器端实验样本
6. 点击附录中的“客户端”脚本文件链接，将实验的脚本文件读入。将服务器IP地址填入数据服务器IP地址输入栏中，如图23.4所示。在服务器端进行数据采集的同时，点击“开始”按钮，进行客户端的速度测量过程。
图23.4 转速测量客户端实验样本
五. 实验报告要求
简述实验目的和原理，分析并整理实验测量结果。
六. 思考题
1．该实验还可以采用其它哪些传感器进行？
2．调整不同的采样频率后，输出信号有何变化？并解释产生这种现象的原因。
附录：
1. 该实验的实验信号处理框图如图23.5所示
图23.5 转速测量实验信号处理框图
霍尔传感器及其应用
对磁敏感的传感器称为磁敏传感器，主要有干簧管、磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻传感器及霍尔传感器等。本文介绍的是霍尔传感器及其应用。
以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可以实现非接触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。另外，霍尔传感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广泛的应用。除了直接利用霍尔传感器外，还利用它开发出各种派生的传感器。 霍尔效应与霍尔元件
金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh，称为霍尔电势或霍尔电压(如图l所示)。霍尔电势Uh=KhIcB(其中Kh为霍尔元件灵敏度，它与所用的材料及几何尺寸有关)。这种现象称为霍尔效应，而用这种效应制成的元件称为霍尔元件。
由于霍尔元件输出的电压信号较小，并且有一定的温度误差，目前已较少直接使用霍尔元件作传感器。 霍尔集成传感器
随着半导体工艺技术的发展，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上，成为霍尔集成传感器(目前习惯上称为霍尔传感器)。为了应用上的需要，霍尔集成传感器又分成线性型霍尔传感器及开关型霍尔传感器。根据使用要求不同又开发出不同性能的系列产品。这里仅介绍一些新型的典型产品及应用电路。 线性型霍尔传感器
这里介绍Honevwell公司的SS49系列及SS495系列。 1． SS49系列
SS49系列霍尔传感器是一种三端器件，它敏感于外界的磁感应强度，输出与磁感应强度成比例的电压信号。该元件的特点是：电源电压范围为4V-10V，随着电源电压增加，输出信号幅度增大，但线性度范围却缩小；静态工作电流较小，典型值为4mA，适用于便携式电池供电的场合；响应于N极或s极；在很宽的磁场范围内有较好的线性度；能有较大的输出电流的能力(10mA连续，20mA最大)；尺寸小(贴片式器件)。
该元件在不同工作电压时的输出特性如图2所示。
在5V工作电压、OT(特斯拉)时输出为2V。该元件的温度特性如图3所示，在温度范围较大时需加温度补偿。
该器件有TO-92封装及SOT-贴片式封装，其管脚排列如图4所示。典型应用电路如图5所示，Rl为负载电阻。
2．SS495A1
ss495A1是高精度线性输出霍尔元件。该元件特点是：内部有温度补偿电路并由激光对电阻进行修正，使零点温漂为±0．04％／℃，灵敏度漂移为+0．02-±0．03％／℃；输出电压在-0.0T～+0.0T范围时为0．5v～4．5v(典型值)，它可以直接与单片机接口；OT时为2．5v±0．075V；灵敏度为3．125±O．094；线性度误差为-1．0％量程)；工作温度范围-40℃～+150℃；工作电压范围为4．5v～10．5v，工作电流7mA(典型值)。
该元件尺寸小(约4mm×3mm)，并有贴片式封装形式，其管脚排列与前同。 该元件典型输出特性如图6所示。
应用电路 1．位移测量
将线性霍尔传感器放在两块磁铁的中间，其磁感应强度为零。这个位置可作为位移的零点(如图7(a)所示)。当霍尔传感器在Z轴作AZ位移时，经调整电路处理后其输出电压Vo与位移△Z特性如图7(b)所示。图7(b)是按同样的原理制成的力传感器。
2．简易磁场强度计
图8是一种用SS49制成的简易磁场强度计的电路图。在0-±0．1T的磁感应强度时，输出为0～5v。当磁感应强度为-0．1T时，调RPl，使输出为0V；当磁感应强度为+0．1T时，调RP2，使输出为5V(在磁感应强度为零时，输出为2．5v)。若外接一个O～5V表头即成为±0．1T的磁场强度计了(刻度要重画)。
由于SS49有一定的温度误差，可在6．8k电阻并联一个PTC热敏电阻进行补偿，其阻值要根据传感器的温度特性来调试，如图8右图所示。
若采用495Al高精度线性霍尔元件来做磁场强度计，则在±0．T时，输出0．5v～4．5V，则可直接接一个0～5V电压表头即制成较高精度的磁场强度计，无需任何电路(仅仅将电压刻度换成T即可：在0．5V处刻度为一0．T；在2．5v处刻度为0T；在4．5V处刻度为+0．T即成)。
霍尔传感器及其应用（二）
开关型霍尔传感器
开关型霍尔传感器是一种集成传感器，它内部含有霍尔元件、放大器、稳压电源、带一定滞后特性的比较器及集电极开路输出部分等，如图1(a)所示，外形如图1(b)所示。
开关型霍尔传感器的工作特性如图2所示。
当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，但磁感应强
度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRE时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与Bre之间的滞后(或称为回差)使开关动作更为可靠。
由于传感器内部为集电极开路输出，所以需外接一个上拉电阻，其阻值与电源电压大小有关，一般取1～2k，如图3所示。
另外还有一种“锁键型”(或称锁存型)开关型霍尔传感器，其特性如图4所示。
当磁感应强度超过动点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变(即锁存状态)，必须施加反向磁感应强度达到Bre时，才能使电平产生变化。 这里介绍SS100系列及ss40两种典型产品。这两种产品都是Honev weⅡ公司的产品。 1．SSl00系列
SSl00系列是贴片式器件，SOT-封装[如图1(b)所示]。它的特点是工作电压范围较宽(3．8—24V)；工作电流小(最大为10mA)；其输出级集电极最大电流可达20mA；工作温度范围
较宽(-40--+125℃)；有单极、双极及锁存型，可供用户选择。参数性能见附表(仅选择该系列部分产品)。
2．SS40(双极型)
SS40为TO-92封装，其外形及管脚见图1(b)。该器件工作速度可达100kHz；工作温度范围可达-55—150℃；工作电压范围4．5-24v；工作电流最大值为8．7mA(典型值为4mA)，输出低电平时典型值为0．15v(最大值为0．4V)；上升时间0．2us(典型值)，下降时间0．5us(典型值)；在25度时的
动作点最大值为4．0mT，最小释放点为-4．0mT，最小回差为8．0mT。 典型应用电路
开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。它只要配合一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器(如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车；电梯门关好，电梯才能升降)和防盗报警器(当门或窗被非法撬开时，开关型霍尔元件可输出报警信号，如图3所示)。
另外一类是可以利用它做成测量转速(转数)等，如图5所示。
几种典型的连接负载电路如图6所示。图6(a)为与继电器连接，图6(b)为与晶闸管连接。转自维修吧-http://www.weixiu8.com
