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快速扫盲|霍尔传感器的工作原理

2020-9-23 09:31:20  25
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霍尔效应是美国物理学家 Edwin Hall 于 1879 年发现;
由于导体中电流的性质,电流是由电子的定向移动所形成的,并且电子移动的方向和电流方向相反;通常,电子脱离之后的导体便留下了空穴,表现为正电压;
如果导体周围存在足够强的磁场,这时候电荷会受到一种称为洛伦兹力的力,电荷移动的路径便会发现偏移,因此,偏移的电荷会积累到导体的同一面上,而另一面留下空穴,这样导体之间便产生了电势差;

霍尔效应产生的电势差非常小,往往只有几微伏,因此霍尔传感器中往往内置了非常高增益的运算放大器,根据整体需求还会配合其他一些系统电路,整体架构如下所示;

通常霍尔传感器最终输出的信号有模拟信号和数字信号两种;
输出数字信号:一般在运算放大器后级增加一个施密特触发器,则输出信号为数字信号,通常为系统提供相应的迟滞和开关阈量,类似的如开关型霍尔元器件
输出模拟信号:线性霍尔传感器的输出量是模拟信号,配合 ADC 进行采样,可以用于检测物体的位移;

开关型霍尔根据输入信号和输出关系的不同可以分为:单极性霍尔,双极性霍尔,全极性霍尔;
2.1 单极性霍尔
单极性霍尔的开关特性通常是磁场的磁极和传感器的正反面要一一对应,否则可能会没有输出,具体如下表所示;

2.2 双极性霍尔
相较于单极性霍尔,双极性霍尔传感器可以锁存输出电平的状态,直到下一个输入到来,才会改变输出状态,广泛的应用与直流无刷电机,计数,定位等系统中;
2.3 全极性霍尔
全极性霍尔开关会在磁场 S 极靠近正面时输出低电平,N 极靠近正面,输出高电平;
3 磁编码器
磁编码器内部就集成了 Hall 元件,在正面存在旋转磁场的时候,就可以输出相应的信号,这样就可以实现非接触式得测量转速,位置信号,因此在工作环境严酷的情况下,该应用场景就非常理想;具体检测方式如下图所示;

工业应用:
非接触式旋转位置检测;
机器人技术
无刷直流电动机换向;
电动工具;
汽车应用:
方向盘位置检测;
油门位置检测;
传动变速箱编码器;
头灯位置控制;
电动座椅位置指示器;
办公设备:
打印机、扫描仪、复印机;
取代光学编码器;
前面板旋转开关
取代电位器
这里简单介绍一下,其具体的应用方式会因为 IC 的不同而有所差异,但是这些也都是基于 Hall 传感器的基础上进行展开,所以这里这是概念性的介绍;
4 总结
霍尔传感器的应用非常广泛,根据输出信号不同,可以分为开关型霍尔和线性霍尔;
开关型霍尔根据感应方式不同可以分为单极性霍尔,双极性锁存霍尔和全极性霍尔;本文只是结合作者的实际使用情况进行简单地进行。
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