霍爾電流傳感器在應用中的基本原理是什么？該如何進行選型？

什么是霍爾效應(HALL)?霍爾效應是電磁效應的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾于1879年在研究金屬的導電機制時發(fā)現(xiàn)的。 當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在半導體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應使用左手定則判斷。

霍爾IC通常按輸出信號類型分為開關(guān)型霍爾IC和線性霍爾IC。開關(guān)型的霍爾元件，只輸出高低兩個電平信號，要么是開要么是關(guān)。線性霍爾元件輸出一個持續(xù)變化的模擬量信號，輸出電壓從高到低或者從低到高，這樣一個不間斷

由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于：Rh為霍爾常數(shù)，它與半導體材質(zhì)有關(guān);I為霍爾元件的偏置電流;B為磁場強度;d為半導體材料的厚度。

對于一個給定的霍爾器件，當偏置電流 I 固定時，UH將完全取決于被測的磁場強度B。

一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流 I 的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出;若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導磁系數(shù)的鍍膜合金;這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。

在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。

磁場中有一個霍爾半導體片，恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導體時向一側(cè)偏移，使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。

霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁感應強度。下圖所示的方法是用一個轉(zhuǎn)動的葉輪作為控制磁通量的開關(guān)，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅(qū)動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉(zhuǎn)速低的運轉(zhuǎn)情況。

霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達1MHZ)，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾線性器件的精度高、線性度好;霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高(可達μm級)。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達——55℃——150℃。

按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。

位移測量

兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。

力測量

如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，按這一原理可制成的力傳感器。

角速度測量

在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)(計數(shù)器)，若接入頻率計，便可測出轉(zhuǎn)速。

線速度測量

如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。

的持續(xù)變化。

開關(guān)型的霍爾元件，又分為三個小類型：單極霍爾元件、全極霍爾元件、雙極鎖存霍爾元件。單極霍爾元件指的是只感應一個磁極的霍爾，一般是插件封裝的只感應S極。即S極的磁鐵靠近霍爾元件時，霍爾元件產(chǎn)生高低電平的變 化，N極靠近的時候，是不感應的。全極霍爾元件可以感應兩個磁鐵，即NS任意一個磁極靠近霍爾元件時，霍爾元件都會產(chǎn)生高低電平的變化。雙極鎖存霍爾元件，需要NS兩個磁鐵交替接近霍爾元件才能產(chǎn)生高低電平的切換，即一個磁極靠近再離開后繼續(xù)保持開的狀態(tài)，需要另外一個磁鐵靠近才能切換成關(guān)的狀態(tài)。

除了這些，近幾年還出現(xiàn)了一些集成度高、功能復雜的專用霍爾 IC，如差分霍爾IC(雙霍爾 IC)，集成 ADC、DAC 和信號處理電路的旋轉(zhuǎn)位置傳感器、三軸位置傳感器，集成了電機控制和驅(qū)動電路的無刷電機驅(qū)動芯片。此外，利用霍爾原理設計的電流傳感器IC也是霍爾IC的一大類別。

隨著手機、筆記本電腦、DV 等便攜式設備的普及，對霍爾IC的功耗提出要求，由此產(chǎn)生了一類新的霍爾IC—微功耗霍爾IC。它是數(shù)字霍爾IC按功耗單獨分出的一類，其內(nèi)部采用休眠機制降低功耗，平均功耗可以達到 uA 級。它也可按功能分為單級型霍爾IC、鎖定型霍爾IC、和全級霍爾IC三類。這類一般用于電池長期供電的系統(tǒng)。

我們在設計方案的時候，首選需要確認的就是，需要開關(guān)量輸出的霍爾元件還是模擬量的霍爾元件，日常生活中大部分的方案，如定位、計數(shù)、位置開關(guān)等方案，使用性價比更高的開關(guān)霍爾就可以了。一些需要模擬量輸出的，如角度檢測、漏磁檢測、電流檢測、編碼器等方案，再推薦使用精度更高的線性霍爾。

霍爾開關(guān)選型：

1)第一項重要參數(shù)：供電電壓，供電電壓大致就可以分兩種，低壓供電和高壓供電的。這個就要對應著我們常見的兩種供電方式，電池供電或者電源供電。電池供電，我們一般就是3V、3.3V或者5V供電的比較多，也有較少的方案是使用1.65V或者1.8V供電的，這就輸出低壓供電。電源供電，一般就是5V、12V、24V的比較多，當然少見的也有3V供電的，5V以上供電我們就認為是高壓供電。一般來說，我們使用電池供電的方案，必須要考慮到的一個問題，就是產(chǎn)品的功耗，盡可能的使用微功耗的產(chǎn)品。這類方案目前非常多，像我們常見的藍牙耳機、小型電子設備、智能門鎖、玩具、手機、儀表、鍵盤、鼠標等等方案，一般都需要使用微功耗的產(chǎn)品。而這些方案，單極和全極的霍爾元件，一般都是通用的，大部分工程師選擇全極型微功耗的產(chǎn)品。

電源供電的一些應用，就會涉及到一些12V或者24V供電的設備。如果是5V供電的應用，只要不是開關(guān)頻率特別高的應用，用微功耗的低壓霍爾也行，但是一些12V和24V供電的應用，就需要使用高耐壓的霍爾。

2)第二項重要參數(shù)，磁靈敏度，也就是我們常說的Bop。Bop數(shù)值對于單顆霍爾來說，是一個數(shù)值，但是我們看產(chǎn)品規(guī)格書的時候，都是一個范圍值，是因為霍爾元件的磁靈敏度，都會有一定的差異性，同一個型號產(chǎn)品的差異性又在一定的范圍內(nèi)，這個范圍就是我們規(guī)格書的Bop范圍。Bop指的就是開啟霍爾元件所需要的磁場值。

1、電力監(jiān)測：在電力系統(tǒng)中，霍爾電流傳感器可用于檢測和測量不同電路的電流值，從而掌握整個系統(tǒng)的電力情況，便于實現(xiàn)系統(tǒng)的運行監(jiān)測、電量統(tǒng)計及負荷計量等功能。

2、工業(yè)自動化：霍爾電流傳感器作為一種高精度、低功耗、可靠性高的傳感器，可應用于工業(yè)自動化領域。比如，在數(shù)控加工設備中，可用于對磨削液、潤滑油的流量進行檢測和控制，保證加工質(zhì)量和設備安全性。

3、新能源電站：隨著新能源的發(fā)展，如太陽能發(fā)電和風力發(fā)電等，霍爾電流傳感器也被廣泛應用。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和風電場中，霍爾電流傳感器可以準確測量直流和交流電流，保證系統(tǒng)的正常運行和輸出的電能質(zhì)量。

4、汽車電子：在汽車電子系統(tǒng)、電機控制等領域中，霍爾電流傳感器也扮演著重要角色。比如，在電動汽車中，霍爾電流傳感器可以實時監(jiān)測電機輸出的電流大小和方向，并將這些數(shù)據(jù)反饋給電控系統(tǒng)，從而保證電機正常工作。

5、其他領域：在醫(yī)療設備、安防監(jiān)控、智能家居等領域，霍爾電流傳感器也有不同的應用場景，如血壓計、人體健康檢測、煙霧報警器、火災報警器、智能插座等。