霍爾傳感器的原理是什麼?有哪些應用?有什麼優缺點?

2021-02-14 羅羅日記

成都的冬天是不是來了，昨天竟開始變得有點小冷了。

 

估計米亞羅的紅葉又開始「泛濫」了。

 

但是我哪裡也不去，呆在家裡寫日記。

 

本來我是想接著上一篇，再寫一下直流電機，還有伺服電機的。

 

但是，我在看直流電機文檔時，發現需要先理解霍爾傳感器。

 

所以今天還是先說下霍爾傳感器的原理。

 

這篇日記不長，讀起來也很輕鬆。

 

花5分鐘時間，我們來了解一下霍爾傳感器。

 

開始吧。

 

1.霍爾傳感器的原理

說起霍爾傳感器，其實它的基本原理，還得從我們中學時學過的洛倫茲力說起。

左圖：電子受到的洛倫茲力向右。右圖，霍爾感應：薄板左右兩側因電勢差，形成電壓，稱為霍爾感應電壓。

 

我們知道，電子在磁場中運動時，會受到洛倫茲力（Lorentz force）的作用。

 

如上，我們先看左邊這幅圖，當電子向上運動時，其產生的電流向下。

 

好了，我們使用左手定則，讓磁場B的磁感線（射入屏幕）穿入手心，也就是手心向外，並用四指指向電流方向，也就是四指向下，那麼，大拇指的方向就是電子的受力方向。

 

在這幅圖中，電子受力向右。

 

所以在外磁場的作用下，薄板中的電荷會向一側傾斜。

 

在上面的例子中，電子向右側傾斜，那麼就會在左右兩邊形成電勢差。

 

如右圖，如果用電壓表接在左右兩側，那麼會檢測到電壓。

 

這就是霍爾感應的基本原理。

 

檢測到的電壓叫霍爾感應電壓。

 

如果取走外磁場，那麼霍爾電壓消失。

 

如果用形象的圖來表示，霍爾感應就像下面這張圖。

i表示電流方向，B表示外磁場方向，V表示霍爾電壓，盒子中的小圓點可以看作是電子。

 

這張圖也不錯，我保存一下

當然，實際的霍爾傳感器，其實很小。

 

下面是一個霍爾傳感器的內部結構。

 

霍爾傳感器工作示意圖：外部旋轉磁場經霍爾感器，產生周期變化的信號，再通過傳感器內部電路處理，輸出數位訊號，或者模擬信號。

 

其核心就是感應外部磁場（輸入），產生電壓（輸出）。

 

這就是霍爾傳感器的工作原理。

 

是不是很簡單。

 

2.霍爾傳感器的分類

 

按照輸出量是數字量還是模擬量，霍爾傳感器分為數字式和模擬式兩種。

 

根據激活和關閉工作特性，霍爾傳感器又分為單極式和雙極式兩種。

數字式霍爾傳感器電路圖

 

數字式霍爾傳感器輸出量

 

模擬式霍爾傳感器電路圖

模擬式霍爾傳感器輸出量

 

雙極式霍爾傳感器：分別用磁鐵的兩極來觸發和釋放霍爾傳感器

 

單極式霍爾傳感器：僅用磁鐵的S極來觸發和釋放霍爾傳感器

 

3.霍爾傳感器的應用

上面，我們對霍爾傳感器的原理和基本類型有了大體的認識。

 

那麼，接下來，我們看看霍爾傳感器有哪些應用。

 

當然，首先就是用在直流無刷電機上。

 

示意圖如下，具體工作原理我們下一篇再講，這裡不過多解釋。

霍爾傳感器在無刷直流電機中的應用：霍爾傳感器感應轉子的位置，然後告訴控制器怎麼改變線圈通電次序。

 

用作近傳感器

 

探測紙的存在

 

 

作為互鎖感應

 

 

作為速度傳感器

當然，實際上，霍爾傳感器還有更多的應用，以上只是部分例子（大部分例子來自Honeywell）。

 

到這裡，我們說了霍爾傳感器的一些應用。

 

那麼霍爾傳感器有什麼優缺點呢？

 

4.霍爾傳感器的優缺點

 

因為是利用磁感原理，所以霍爾傳感器有如下的優點：

 

（1）可用於探測多種物理量，例如位置感應，速度以及運動方向的感應。

 

（2）因為是固態設備，而且沒有活動部件，所以不會出現摩擦及磨損，理論上有無限壽命。

 

（3）穩固，高重複性，幾乎免維護。

 

（4）不受振動，灰塵和水的影響。

 

（5）可應用於高速測量，例如大於100KHz，而電容和電感式傳感器在如此高速應用時，輸出信號就會變得扭曲。

 

（6）低成本。

 

（7）體積小，可用於表面貼裝。

 

當然，也正因為如此，它也有一些缺點：

 

（1）線性霍爾傳感器，測量距離受限。

 

（2）因為利用磁性，所以外部磁場可能會影響測量值。

 

（3）因為高溫會影響導體電阻，反過來，會影響載流子的遷移率和霍爾傳感器的靈敏度。

  

好了，讓我們回顧一下，今天說了哪些東西。

 

霍爾傳感器的原理，霍爾傳感器的分類，霍爾傳感器的應用，霍爾傳感器的優缺點。

 

差不多了，今天就到這裡吧。

 

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如果你有什麼想補充的，想對羅羅說的，都可以在留言區留言，我看到後會一一回復。

 

對了，不要太想我，我們下一篇直流電機的工作原理再見。

 

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