霍爾效應傳感器| 類型5個重要應用

內容:

  • 簡介
  • 磁傳感器
  • 霍爾效應傳感器
  • 什麼是霍爾電壓(VH)?
  • 霍爾係數(RH)
  • 霍爾效應傳感器的構造
  • 霍爾效應傳感器的符號
  • 霍爾效應傳感器的工作原理
  • 霍爾效應實驗
  • 模擬和數字霍爾效應傳感器
  • 霍爾效應傳感器的類型
  • 霍爾效應傳感器的應用

什麼是磁傳感器?

磁傳感器

磁傳感器是能夠檢測和分析由磁場產生的磁場的設備 磁鐵 或當前。 它們可用於不同類型的應用程序,例如感應磁場的位置和角度的變化,感應所施加磁場的強度或方向的變化等。

有各種類型的磁傳感器,例如用於檢測磁場強度變化的霍爾效應傳感器(霍爾開關,線性霍爾傳感器等),用於檢測磁場方向變化的磁阻傳感器,用於檢測磁場角度變化的角度傳感器,3D霍爾傳感器以及磁速度傳感器。 霍爾效應傳感器廣泛應用於各種應用中,例如接近傳感器,位置和速度測量等。它們甚至還用於計算機打印機,氣壓缸,計算機鍵盤等。

磁傳感器通常是固態設備,由於其高精度和準確性,無觸點操作,相對較低的維護成本,緊湊的設計等原因,如今已成為當今的一種需求。例如,可以在工業應用中使用,密封的霍爾效應設備是防水的,並且也可以抵抗任何振動。

磁傳感器廣泛用於汽車系統,尤其是用於分析汽車座椅,安全帶的位置以及控制安全氣囊系統,以及用於檢測防抱死制動系統(ABS)的車輪轉速。

霍爾效應傳感器

霍爾效應傳感器是磁性傳感器,其輸出取決於磁場或磁性傳感器周圍的磁通密度。

  • “霍爾”一詞來自 埃德溫·霍爾博士,他是第一次發現這種霍爾效應。
  • 如果存在垂直於電流通過的物體的外部磁場,則會在垂直於磁場和電流的方向上產生電動勢。
霍爾效應傳感器
霍爾效應傳感器 設備 1880

什麼是霍爾電壓(VH)?

如果在磁傳感器中施加了外部磁場,它將被激活。 霍爾效應傳感器的輸出電壓與經過的磁場強度成正比。 在外部磁場超過特定的磁通密度閾值後,會產生輸出電壓,通常稱為 霍爾電壓(VH).

霍爾係數(RH)

霍爾效應中金屬條的每單位厚度的電勢差的數量由磁強度和縱向電流密度的乘積分佈。

霍爾係數R的單位H 一般表示為 m3/ C或Ω·cm / G.

霍爾效應傳感器的構造:

霍爾傳感器設計

霍爾效應傳感器通常由矩形的半導體片(例如銦)組成 銻(InSb)或砷化鎵(GaAs),稱為霍爾探頭,安裝在 鋁板並完全覆蓋在探頭內部。 由非磁性材料製成的探針手柄與探針頭連接,以使半導體矩形板的平面垂直於探針手柄。

激活設備後,會持續流過半導體。 如果外部磁場線與探頭成直角,使得場線穿過探頭的傳感器成直角,則會產生稱為“霍爾效應”電壓的電壓,並且設備會提供讀數外磁場的磁通密度(B)的關係。

霍爾效應傳感器的符號:

霍爾效應傳感器| 類型5個重要應用
霍爾效應傳感器符號,圖像信用– 格雷哈馬特 at 英語維基百科公共霍爾傳感器符號CC BY-SA 3.0

什麼是霍爾效應傳感器?

霍爾效應傳感器的工作原理

  • 霍爾效應傳感器主要由於洛倫茲力(洛倫茲力)的作用而工作(洛倫茲力是帶電粒子由於電場或磁場(即簡稱為電磁場)而承受的力)。
  • 在存在足夠大的現有外部磁場的情況下,半導體平板中的電子偏向平板的一個邊緣,即,由於作用在其上的洛倫茲力,空穴和電子朝平板的任一側移動。
  • 為此,半導體的一側帶負電,而相反側則帶正電。 由於在矩形板的兩個相對側上積累了相反的電荷,因此在這兩個側上都產生了電壓梯度。 該電壓稱為霍爾電壓(VH),並且通過使用外部磁場產生此可測量霍爾電壓的效應稱為霍爾效應。
  • 為了產生電勢差以產生可測量的電壓,外部磁場線必須與電流流過平板的平面成直角。 另外,應提供正確的極性以使霍爾效應傳感器正常工作。
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霍爾效應傳感器工作
  • 當電子和空穴彼此分開時,會產生電勢梯度,並且間距會增大,直到電場產生的力與磁場產生的力達到平衡為止。 當兩個力彼此平衡時,電流沒有變化,並且已經計算出從該磁通密度(B)處檢測到的霍爾電壓。                       
  • 如果輸出電壓線性依賴於磁通量密度,則稱其為線性霍爾效應傳感器,如果輸出電壓在不同磁通密度下急劇下降,則稱為閾值霍爾效應傳感器。
  • 我們已經聽說過感應傳感器,感應傳感器會響應不斷變化的磁場,因為感應線圈中的電流會在線圈中感應出電流,從而在其輸出中產生電壓。 因此,電感式傳感器只能檢測到靜態(不變的)磁場,而霍爾效應傳感器則可以檢測到變化的和不變的磁場。
  • 霍爾效應傳感器可以提供有關用於產生電壓的磁極類型以及外部磁通密度(B)大小的信息。 使用一組傳感器,我們可以找到所用外部磁體的相對位置。
  • 霍爾效應傳感器的輸出電壓通常具有很小的幅度,例如幾微伏,即使在傳感器上施加了強大的外部磁場也是如此。 因此,大多數市售的霍爾效應傳感器都內置有直流放大器和穩壓器,以提高傳感器的靈敏度和輸出電壓的幅度。

霍爾效應實驗

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閉環霍爾效應電流傳感器
圖片來源: 德拉什雷克閉環霍爾效應電流傳感器CC BY-SA 3.0

模擬和數字霍爾效應傳感器

霍爾效應傳感器的輸出可以是線性(模擬)或數字輸出。 線性霍爾效應傳感器的輸出與外部磁場成正比,即通過傳感器的磁通密度,而輸出則來自差分OP-AMP的輸出。 霍爾效應線性(模擬)傳感器具有連續的電壓輸出,該電壓根據外部磁場強度的變化而變化。

霍爾效應傳感器的公式:

線性霍爾效應傳感器的輸出可以表示為:

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哪裡,

  • VH 是霍爾電壓
  • RH 是霍爾效應係數
  • I是流過傳感器(半導體平板)的電流
  • t是傳感器的厚度
  • B是外部磁通密度

在霍爾效應的情況下,數字傳感器的輸出取自運算放大器的輸出,運算放大器的輸出又與具有內置磁滯的施密特觸發器相連,以減少輸出電壓的振盪。 在這種情況下,僅當外部場強高於設備中的特定值時,設備才從OFF狀態切換到ON狀態。

霍爾效應傳感器的類型:

根據其操作所需的外部磁極的類型,霍爾效應傳感器有兩種類型。

  1. 雙極性
  2. 單極

使用單個磁體的霍爾效應傳感器中最常見的兩種傳感配置是正面檢測和側向檢測。 在側向檢測中,需要在霍爾效應元件的表面前面以橫向運動移動磁體。 在正面檢測中,磁體以垂直於霍爾元件平面的方式移向和移離霍爾元件。

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霍爾效應傳感器 用於發動機風扇
圖像信用ФигÑ??ÑÑ??ки帶有霍爾效應傳感器的離合器CC BY 2.0

霍爾效應傳感器的應用:

  • 位置傳感器: 當在開/關模式下運行(即具有數字輸出)時,檢測磁性材料的出現是霍爾效應傳感器的重要工業應用之一。
  • 直流變壓器: 霍爾效應傳感器用於測量直流磁通量,因此可以計算出直流電流。
  • 鍵盤開關: 對於某些計算機鍵盤,正在使用霍爾效應開關。 但是由於其相對較高的成本,由於其高可靠性而被限制在航空航天和軍事領域。
  • 油位指示器: 霍爾效應傳感器使用位置感測來感測浮動元件的位置,並用作汽車油位指示器。
  • 電動跑步機: 霍爾傳感器在這裡用於速度傳感器以及由於意外跌落而緊急停止。 跑步機中使用者的腰帶連接到拉繩,拉繩又連接到磁鐵。 如果用戶不小心摔倒,磁鐵會脫落,並且電源會中斷,從而使機器停止運轉。

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關於 Amrit Shaw

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