3D動(dòng)畫講解霍爾效應(yīng)原理

　　什么是霍爾效應(yīng),？

　　霍爾效應(yīng)是由帶電粒子（如電子）相應(yīng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用引起的。更為形象生動(dòng)的大家可以看下面這個(gè)霍爾效應(yīng)原理動(dòng)畫圖。

　　霍爾效應(yīng)原理動(dòng)圖畫來源于外網(wǎng)

　　霍爾效應(yīng)原理

　　當(dāng)導(dǎo)電板連接到帶有電池的電路時(shí),，電流開始流動(dòng)。電荷載體將沿著從板的一端到另一端的線性路徑,。電荷載流子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致磁場(chǎng)的產(chǎn)生,。當(dāng)磁體靠近板放置時(shí)，電荷載流子的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變,。這擾亂了電荷載流子的直線流動(dòng),。擾亂電荷載流子流動(dòng)方向的力稱為洛倫茲力。

　　由于電荷載流子磁場(chǎng)的畸變,，帶負(fù)電的電子將偏轉(zhuǎn)到板的一側(cè),，而帶正電的空穴將偏轉(zhuǎn)到板的另一側(cè)。在板的兩側(cè)之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電位差,，稱為霍爾電壓,，可以用儀表測(cè)量。

　　霍爾效應(yīng)和洛倫茲力,，藍(lán)色箭頭 B 表示垂直穿過導(dǎo)電板的磁場(chǎng) 霍爾效應(yīng)原理表明：當(dāng)將載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體引入垂直磁場(chǎng)時(shí),，可以在電流路徑成直角的位置測(cè)量電壓。 霍爾電壓表示為 VH 由公式給出：

　　霍爾電壓公式

　　VH 是導(dǎo)電板上的霍爾電壓

　　I 是流過傳感器的電流

　　B 是磁場(chǎng)強(qiáng)度

　　q 是電荷

　　n 是每單位體積的電荷載流子的數(shù)量

　　d 是傳感器的厚度

　　霍爾效應(yīng)傳感器原理

　　當(dāng)傳感器周圍的磁通密度超過某個(gè)預(yù)設(shè)閾值時(shí),，傳感器會(huì)檢測(cè)到它并產(chǎn)生稱為霍爾電壓 VH 的輸出電壓,。具體的原理如下圖所示。

　　霍爾效應(yīng)傳感器基本上由一塊薄薄的矩形 p 型半導(dǎo)體材料組成,，例如砷化鎵 （GaAs）,、銻化銦 （InSb） 或砷化銦 （InAs），其自身通過連續(xù)電流。

　　霍爾效應(yīng)傳感器原理圖 當(dāng)霍爾效應(yīng)傳感器放置在磁場(chǎng)中時(shí),，磁通量線對(duì)半導(dǎo)體材料施加一個(gè)力,，使載流子、電子和空穴偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體板的任一側(cè),。電荷載流子的這種運(yùn)動(dòng)是它們穿過半導(dǎo)體材料時(shí)所經(jīng)歷的磁力的結(jié)果,。 當(dāng)這些電子和空穴向側(cè)面移動(dòng)時(shí)，由于這些電荷載流子的積累,，在半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間會(huì)產(chǎn)生電位差,。然后，電子通過半導(dǎo)體材料的運(yùn)動(dòng)受到與其成直角的外部磁場(chǎng)的影響,，這種影響在扁平矩形材料中更大,。 霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類型和磁場(chǎng)大小的信息。例如,，南極會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生電壓輸出,，而北極則不會(huì)產(chǎn)生任何影響。通常,，霍爾效應(yīng)傳感器和開關(guān)設(shè)計(jì)為在不存在磁場(chǎng)時(shí)處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開路狀態(tài)）,。它們只有在受到足夠強(qiáng)度和極性的磁場(chǎng)時(shí)才會(huì)“打開”（閉路條件）。

　　霍爾效應(yīng)傳感器

　　在最簡(jiǎn)單的形式中,，傳感器作為模擬傳感器工作,，直接返回電壓。在已知磁場(chǎng)的情況下,，可以確定其與霍爾板的距離,。使用傳感器組，可以推斷出磁體的相對(duì)位置,。

　　通常,，霍爾效應(yīng)傳感器與允許設(shè)備以數(shù)字（開/關(guān)）模式運(yùn)行的電路相結(jié)合，并且在此配置中可能被稱為開關(guān),。下圖為包含兩個(gè)磁鐵的輪子經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器,，可以明顯的看到燈的變化。

　　包含兩個(gè)磁鐵的輪子經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器

　　霍爾效應(yīng)傳感器

　　大多數(shù)霍爾效應(yīng)器件不能直接切換大型電氣負(fù)載,，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲵?qū)動(dòng)能力非常小,，大約為 10 到 20mA,。對(duì)于大電流負(fù)載,，在輸出中添加一個(gè)集電極開路（電流吸收）NPN 晶體管。如下圖所示：

　　該晶體管在其飽和區(qū)域中作為 NPN 灌電流開關(guān)工作,，只要施加的磁通密度高于“ON”預(yù)設(shè)點(diǎn)的磁通密度,，就會(huì)將輸出端子短接到地。 輸出開關(guān)晶體管可以是發(fā)射極開路晶體管,、集電極開路晶體管配置或兩者都提供推挽輸出類型配置,，該配置可以吸收足夠的電流以直接驅(qū)動(dòng)許多負(fù)載,，包括繼電器、電機(jī),、LED 和燈,。

　　典型的霍爾效應(yīng)開關(guān)圖 霍爾效應(yīng)傳感器可提供線性或數(shù)字輸出。線性（模擬）傳感器的輸出信號(hào)直接取自運(yùn)算放大器的輸出,，輸出電壓與通過霍爾傳感器的磁場(chǎng)成正比,。該輸出霍爾電壓為：

　　霍爾電壓公式圖

　　V H是以伏特為單位的霍爾電壓

　　R H是霍爾效應(yīng)系數(shù)

　　I是流過傳感器的電流，單位為安培

　　t是傳感器的厚度,，單位為 mm

　　B是特斯拉的磁通量密度

　　線性或模擬傳感器提供連續(xù)的電壓輸出,，該輸出隨強(qiáng)磁場(chǎng)增加而隨著弱磁場(chǎng)減少。在線性輸出霍爾效應(yīng)傳感器中,，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,，來自放大器的輸出信號(hào)也會(huì)增加，直到它開始因施加電源的限制而飽和,。 磁場(chǎng)的任何額外增加都不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響,，但會(huì)使其更加飽和。

　　霍爾傳感器測(cè)量方法--磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)路徑

　　霍爾效應(yīng)傳感器由磁場(chǎng)激活,，在許多應(yīng)用中,，該設(shè)備可以通過連接到移動(dòng)軸或設(shè)備的單個(gè)永磁體來操作。有許多不同類型的磁鐵運(yùn)動(dòng),，例如“正面”,、“側(cè)身”、“推拉”或“推-推”等感應(yīng)運(yùn)動(dòng),。

　　使用每種類型的配置,，以確保最大靈敏度，磁通線必須始終垂直于設(shè)備的感應(yīng)區(qū)域,，并且必須具有正確的極性,。 此外，為了確保線性,，需要高場(chǎng)強(qiáng)磁鐵,，以便為所需的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的場(chǎng)強(qiáng)變化。檢測(cè)磁場(chǎng)有多種可能的運(yùn)動(dòng)路徑,，以下是使用單個(gè)磁體的兩種更常見的傳感配置：正面檢測(cè)和側(cè)向檢測(cè),。 1、霍爾傳感器測(cè)量方法--正面檢測(cè) 顧名思義,，“正面檢測(cè)”要求磁場(chǎng)垂直于霍爾效應(yīng)傳感設(shè)備,，并且為了檢測(cè)，它直接朝向有源面接近傳感器。一種“正面”的方法,。

　　這種正面方法會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)VH,，它在線性器件中表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，即磁通量密度,，它是距霍爾效應(yīng)傳感器的距離的函數(shù),。距離越近，磁場(chǎng)越強(qiáng),，輸出電壓越大,，反之亦然。 線性器件還可以區(qū)分正磁場(chǎng)和負(fù)磁場(chǎng),。非線性裝置可以在遠(yuǎn)離磁鐵的預(yù)設(shè)氣隙距離處觸發(fā)輸出“ON”,，以指示位置檢測(cè)。 2,、霍爾傳感器測(cè)量方法--側(cè)身檢測(cè) 第二種傳感配置是“橫向檢測(cè)”,。這需要在霍爾效應(yīng)元件的表面上橫向移動(dòng)磁鐵。 當(dāng)磁場(chǎng)在固定氣隙距離內(nèi)穿過霍爾元件的表面時(shí),，側(cè)向或滑過檢測(cè)對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的存在很有用,，例如，計(jì)算旋轉(zhuǎn)磁鐵或電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,。

　　根據(jù)磁場(chǎng)通過傳感器零場(chǎng)中心線時(shí)的位置,，可以產(chǎn)生表示正輸出和負(fù)輸出的線性輸出電壓。這允許定向運(yùn)動(dòng)檢測(cè),，它可以是垂直的也可以是水平的,。

　　霍爾傳感器--位置檢測(cè)器

　　根據(jù)設(shè)備的類型（無論是數(shù)字的還是線性的），有許多不同的方法可以將霍爾效應(yīng)傳感器連接到電氣和電子電路,。一個(gè)非常簡(jiǎn)單且易于構(gòu)建的實(shí)例如下圖：

　　位置檢測(cè)器 當(dāng)不存在磁場(chǎng)（0 ）時(shí),，正面位置檢測(cè)器將“關(guān)閉”。當(dāng)永磁體南極（正高斯）垂直移動(dòng)到霍爾效應(yīng)傳感器的有效區(qū)域時(shí),，設(shè)備將“打開”并點(diǎn)亮 LED,。一旦切換“ON”，霍爾效應(yīng)傳感器將保持“ON”,。

　　霍爾傳感器優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn) 1. 霍爾效應(yīng)傳感器可以用作電子開關(guān),。

　　這種開關(guān)的成本低于機(jī)械開關(guān)，而且更可靠,。

　　它的工作頻率最高可達(dá) 100 kHz,。

　　它不會(huì)受到觸點(diǎn)反彈的影響，因?yàn)槭褂昧司哂袦蠊δ艿墓虘B(tài)開關(guān)而不是機(jī)械觸點(diǎn),。

　　由于傳感器采用密封包裝,，因此不會(huì)受到環(huán)境污染物的影響。因此,，它可以在惡劣的條件下使用,。

　　2. 對(duì)于線性傳感器（用于磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量），霍爾效應(yīng)傳感器：

　　可以測(cè)量范圍廣泛的磁場(chǎng)

　　可以測(cè)量北極或南極磁場(chǎng)

　　可以是平的

　　缺點(diǎn)

　　霍爾效應(yīng)傳感器提供的測(cè)量精度遠(yuǎn)低于磁通門磁力計(jì)或基于磁阻的傳感器,。此外,，霍爾效應(yīng)傳感器漂移顯著，需要補(bǔ)償,。

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