什么是霍尔传感器？霍尔传感器的工作原理和类型

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当电流流经任何材料时，电流中的电子会自然地沿着一条直线移动，电流在充电时会产生自己的磁场。

如果带电材料被放置在一个永磁体的磁极之间，电子不会沿着直线移动，而是会在穿过材料时转向一个曲线路径。这是因为它们自己的磁场在与永磁体的对比磁场作用时发生了偏转。

由于这种新的曲线移动，更多的电子将出现在带电材料的一侧。通过这种方式，来自永磁体和电流的电势差（或电压）将出现在与磁场成直角的材料上。

那么，霍尔传感器是如何工作的呢？

霍尔传感器利用半导体（如硅）来测量设备放置在磁场中时产生的电压变化。换句话说，一旦霍尔传感器检测到自己现在处于磁场中，它就能够感知物体的位置。

霍尔传感器和磁铁

磁铁是霍尔传感器固有的一部分，通过外部磁场的存在来激活。设备因此能够感应一个物体靠近或远离时的变化，仅仅通过不同磁场强度的存在。

举个例子，如果将一个霍尔传感器放置在门框上，门上放置一个磁铁，传感器便可以通过磁场的存在来检测门是打开还是关闭。所有磁场都有两个重要的特性。首先是所谓的“磁通密度”，指的是通过单位面积的磁流量，其次，所有磁铁都具有两个极性（北极和南极）。

从霍尔传感器输出的信号代表着设备周围磁场的密度。霍尔传感器具有预设的阈值，在磁通密度超过此限值时，设备能够通过产生称为“霍尔电压”的输出来检测磁场。

所有霍尔传感器内部都有一块薄的半导体材料，它通过自身传递连续的电流来产生一个磁场。当设备靠近外部磁铁时，磁通在半导体材料上施加力。这种力会导致电子的运动，形成可测量的霍尔电压并激活霍尔传感器。

来自霍尔传感器的输出霍尔电压与穿过半导体材料的磁场强度成正比。通常，这种输出电压非常小，仅相当于几微伏，许多霍尔效应设备包括内置的直流放大器，逻辑开关电路和电压调节器，用以提高设备的灵敏度（从而提高效果）。

有两种类型的霍尔传感器：具有线性（或模拟）输出的设备和具有数字输出的设备。模拟传感器使用连续的电压输出，该输出在强磁场中增加，在较弱磁场中减少。

对于具有线性输出的霍尔传感器来说，当外部磁场强度随着设备与磁铁接触而增加时，输出信号会平行增加，直到达到电源施加的极限。

相反，数字输出设备具有“施密特触发器”，这是一个双稳态电路，当电压升高和降低到不同的阈值时，输出会稳定增加和减少。

借助施密特触发器，当通过霍尔传感器的磁通量超过设备的预设值时，设备的输出会将其从“关闭”切换为“打开”。随着传感器在磁场内外移动，设备内置的滞后现象消除了任何输出信号的振荡。

数字霍尔传感器

有两种类型的数字霍尔传感器：双极和单极，这取决于操作它们所需的磁场类型。

双极数字霍尔传感器需要正磁场（来自磁铁的南极）来操作它们，并使用负磁场（来自磁铁的北极）来释放它们。单极传感器只需要一个磁性南极来操作和释放它们，当它们在磁场内外移动时。

由于绝大多数数字霍尔传感器的输出驱动能力非常小，大多数这些设备无法直接切换大电气负载。许多数字传感器通过使用开集电极NPN晶体管来解决这个问题。

当磁通密度高于霍尔传感器“通”点时，晶体管将作为开关操作，短接输出端到地。有许多适用于各种不同任务的霍尔开关可供选择。

霍尔传感器有两种测量油量的方法。首先，在垂直浮子系统中，将永久磁铁固定在浮动物体的表面，而传感器则安装在油箱顶部，与磁铁对齐。

在给汽车加满油后，浮动磁铁升至油箱顶部，将磁场朝向传感器，并增加霍尔电压。随着燃油水平下降，磁铁下降，霍尔电压也相应下降。

除了测量燃油外，霍尔传感器还常用于对车轮和轴等旋转部件的速度进行计时，并在各种转速表中特别有用，用于测量车辆速度和转速。

在存在水、振动或污垢等因素可能影响光学和光传感器的条件下，霍尔传感器特别有用。这就是为什么它们在工业应用中特别有效，因为磁场不会被外部因素中断。

当闭合翻盖时，磁铁被带到智能手机或平板电脑上的霍尔传感器附近。翻盖提供磁场，产生霍尔电压。通过电路中的施密特触发器，当霍尔传感器检测到这种磁力时，移动设备能够执行特定操作，例如关掉屏幕。

通过使用霍尔传感器，在盖上时禁用屏幕，可以延长电池寿命并防止使用。

与其他设备相比，霍尔传感器更小巧、易于制造并且成本低廉，并且不容易受到温度的影响，这在手机中尤其有用。

尽管霍尔传感器主要用于检测物体和空间，但也可以用于电流测量。正如在本指南开始时所介绍的，霍尔效应基于磁场和电流之间的关系，上述设备利用磁场生成电流作为输出。

通过颠倒这一原理，您也可以使用霍尔传感器进行电流测量，通过传送电流来产生磁场。

电流传感器是监测设备状态、检测潜在变化并确保设备安全使用的重要工具。虽然在过去常常使用压力开关、光学传感器和零速开关来监测设备，但测量电流输入可以更准确地洞察设备性能。

使用数字或线性霍尔传感器来测量电流是一种有效的方法，因为这些设备基于这样的原理：对于给定的电流流动，会产生与之成比例的磁场。

首先，数字霍尔传感器由三个关键组件组成：磁芯、霍尔效应器件和信号调理电路。当传感器打开并暴露于来自磁芯的磁场时，它产生一个可以测量然后放大为过程级信号的电位差（或电压）。

使用霍尔传感器进行电流测量的一个主要优势是它们与被监测的电压完全隔离，这使它们成为一种无需插入的安全设备测试方法。测量结果在交流电和直流电上同样准确可重复，因此数字霍尔传感器是进行电流测量的理想选择。

这种传感器的一个变体是比例霍尔传感器，它输出与磁场强度成比例的模拟电压。这种传感器是基于磁极性工作的，南极磁场会使电压增加，而北极磁场会使电压减小。

比例霍尔传感器是上述数字设备的一种替代方案。与其开关式输出不同，电压是按磁场强度和磁性极性成比例地测量的。

与数字霍尔传感器类似，比例霍尔传感器也可以用于测量通过导线的电流。电流越大，磁场就越强，因此测量到的输出电压也会更高。这两种方法都提供了一种有效的测量电流的方式，并测试电气设备的运行效率。

从电流测量到压力传感器、流体流量传感器和目标检测，霍尔传感器和开关具有各种用途和应用，这些多功能设备是许多电气设备的重要组成部分。