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重慶三峽學院機械工程學院機械專業 09級重慶萬州 404000
摘要霍爾感測器是根據霍爾效應製作的一種磁場感測器。 霍爾效應是磁電效應的一種，通過霍爾效應實驗測定的霍爾係數，能夠判斷半導體材料的導電型別、載流子濃度及載流子遷移率等重要引數。採用霍爾感測器，檢測結果直接以電訊號輸出，經放大器放大，輸入到報警電路，進行報警。
關鍵詞霍爾感測器霍爾效應報警電路
1 引言
霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（於2023年在研究金屬的導電機構時發現的。後來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象製成的各種霍爾元件，廣泛地應用於工業自動化技術、檢測技術及資訊處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料效能的基本方法。
通過霍爾效應實驗測定的霍爾係數，能夠判斷半導體材料的導電型別、載流子濃度及載流子遷移率等重要引數。霍爾器件是一種採用半導體材料製成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流ic，當有一磁場b穿過該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢vh。
在磁場力作用下，在金屬或通電半導體中將產生霍耳效應，其輸出電壓與磁場強度成正比。基於霍耳效應的霍耳感測器常用於測量磁場強度，其測量範圍從10oe到幾千奧斯特。儘管人們早在2023年就知道了霍耳效應，但直到20世紀60年代末期，隨著固態電子技術的發展，霍耳效應才開始被人們所應用。
1.1 霍爾感測器發展狀發展
霍爾效應被發現100多年以來,它的應用發展經歷了三個階段：
1.從霍爾效應的發現到20世紀40年代前期。最初由於金屬材料中的電子濃度很大而霍爾效應十分微弱所以沒有引起人們的重視。
這段時期也有人利用霍爾效應製成磁場感測器，但實用價值不大,到了2023年有人用金屬鉍製成霍爾元件，作為磁場感測器。但是，由於當時未找到更合適的材料，研究處於停頓狀態。
2.從20世紀40年代中期半導體技術出現之後，隨著半導體材料、製造工藝和技術的應用，出現了各種半導體霍爾元件，特別是鍺的採用推動了霍爾元件的發展，相繼出現了採用分立霍爾元件製造的各種磁場感測器。
3.自20世紀60年代開始，,隨著積體電路技術的發展，出現了將霍爾半導體元件和相關的訊號調節電路整合在一起的霍爾感測器。進入20世紀80年代，隨著大規模超大規模積體電路和微機械加工技術的進展，霍爾元件從平面向三維方向發展，出現了三埠或四埠固態霍爾感測器，實現了產品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。
霍爾效應自2023年被發現至今已有100多年的歷史，我國從20世紀70年代開始研究霍爾器件，經過30餘年的研究和開發，目前已經能生產各種效能的霍爾元件，例如普通型、高靈敏度型、低溫度係數型、測溫側磁型和開關式的霍爾元件。
1.2霍爾感測器的特性
1.2.1線性型霍爾感測器的特性
輸出電壓與外加磁場強度呈線性關係，在b1～b2的磁[1]感應強度範圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此範圍時則呈現飽和狀態。
1.2.2開關型霍爾感測器的特性
當外加的磁感應強度超過動作點bop時，感測器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點bop以下時，感測器輸出電平不變，一直要降到釋放點brp時，感測器才由低電平躍變為高電平。bop與brp之間的滯後使開關動作更為可靠。
當磁感應強度超過動作點bop時，感測器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消後，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到brp時，才能使電平產生變化。
1.2.3基本補償電路
圖1 霍爾元件等效為乙個電橋圖2 對稱補償
2幾種常見的感測器
2.1霍爾感測器：霍爾感測器是依據霍爾效應製成的器件。
通電的載體在受到垂直於載體平面的外磁場作用時，則載流子受到洛倫茲力的作用， 並有向兩邊聚集的傾向,由於自由電子的聚集(一邊多一邊必然少)從而形成電勢差， 在經過特殊工藝製備的半導體材料這種效應更為顯著。從而形成了霍爾元件。早期的霍爾效應的材料insb(銻化銦)。
為增強對磁場的敏感度,在材料方面半導體iiiv 元素族都有所應用。近年來，除insb之外，有矽襯底的，也有砷化鎵的。霍爾器件由於其工作機理的原因都製成全橋路器件，其內阻大約都在150ω~500ω之間。
對線性感測器工作電流大約在2~10ma左右，一般採用恆流供電法。
insb與矽襯底霍爾器件典型工作電流為10ma。而砷化鎵典型工作電流為2 ma。作為低弱磁場測量，我們希望感測器自身所需的工作電流越低越好。
（因為電源周圍即有磁場，就不同程度引進誤差。另外，目前的感測器對溫度很敏感，通的電流大了，有乙個自身加熱問題。（溫公升）就造成感測器的零漂。
這些方面除外附補償電路外，在材料方面也在不斷的進行改進。霍爾感測器主要有兩大類，一類為開關型器件，一類為線性霍爾器件，從結構形式（品種）及用量、產量前者大於後者。霍爾器件的響應速度大約在1us 量級。
2.2磁阻感測器
磁阻感測器，磁敏二極體等是繼霍爾感測器後派生出的另一種磁敏感測器。採用的半導體材料於霍爾大體相同。但這種感測器對磁場的作用機理不同，感測器內載流子運動方向與被檢磁場在一平面內。
（順便提醒一點，霍爾效應於磁阻效應是並存的。在製造霍爾器件時應努力減少磁阻效應的影響，而製造磁阻器件時努力避免霍爾效應（在計算公式中，互為非線性項）。在磁阻器件應用中，溫度漂移的控制也是主要矛盾，在器件製備方面，磁阻器件由於與霍爾不同，因此，早期的產品為單只磁敏電阻。
由於溫度漂移大，現在多製成單臂（兩隻磁敏電阻串聯）主要是為補償溫度漂移。目前也有全橋產品，但用法（目的）與霍爾器件略有差異。據報導磁阻器件的響應速度同霍爾1us量級。
磁阻感測器由於工作機理不同於霍爾，因而供電也不同，而是採用恆壓源（但也需要一定的電流）供電。當後續電路不同對供電電源的穩定性及內部雜訊要求高低有所不同。
3霍爾感測器應用
按被檢測物件的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢物件本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢物件上人為設定的磁場，這個磁場是被檢測的資訊的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電學量來進行檢測和控制。
3.1線性型霍爾感測器主要用於一些物理量的測量。
3.1.1電流感測器
由於通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾感測器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計製成霍爾電流感測器。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合於大電流感測。
霍爾電流感測器工作原理，標準圓環鐵芯有乙個缺口，將霍爾感測器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾感測器有訊號輸出。
3.1.2位移測量
兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾感測器置於中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾感測器在z軸上作△z位移時，感測器有乙個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。如果把拉力、壓力等引數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，是按這一原理製成的力感測器。
3.2開關型霍爾感測器
3.2.1測轉速或轉數
在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾感測器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一周，霍爾感測器就輸出乙個脈衝，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。
如果把開關型霍爾感測器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈衝訊號。根據脈衝訊號的分布可以測出車輛的運動速度。
3.2.2霍爾效應還能夠測量磁場
在工業、國防和科學研究中，例如在粒子迴旋器、受控熱核反應、同位素分離、地球資源探測、**預報和磁性材料研究等方面，經常要對磁場進行測量，測量磁場的方法主要有核磁共振法、霍爾效應法和感應法等。具體採用什麼方法，要由被測磁場的型別和強弱來確定。霍爾效應法具有結構簡單、探頭體積小、測量快和直接連續讀數等優點，特別適合於測量只有幾個公釐的磁極間的磁場，缺點是測量結果受溫度的影響較大。
3.2.3電磁無損探傷
霍爾效應無損探傷方法安全、可靠、實用，並能實現無速度影響檢測，因此，被應用在裝置故障診斷、材料缺陷檢測之中。其探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率特性之上。採用霍爾元件檢測該洩漏磁場b的訊號變化，可以有效地檢測出缺陷存在。
鋼絲繩作為起重、運輸、提公升及承載裝置中的重要構件，被應用於礦山、運輸、建築、旅遊等行業，但由於使用環境惡劣，在它表面會產生斷絲、磨損等各種缺陷，所以，及時對鋼絲繩探傷檢測顯得尤為重要。目前，國內外公認的最可靠、最實用的方法就是漏磁檢測方法，根據這一檢測方法設計的斷絲探傷檢測裝置，如emtc系列鋼絲繩無損檢測儀，其金屬截面積測量精度為±0.2％，乙個捻距內斷絲有一根誤判時準確率》90％，效能良好，在生產中有著廣泛的用途。
4霍爾感測器的工作原理：
霍爾電流感測器是根據霍爾原理製成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式。霍爾電流感測器一般由原邊電路、聚磁環、霍爾器件、（次級線圈）和放大電路等組成。
4.1.霍爾效應原理
將一塊半導體或導體材料，沿z方向加以磁場，沿x方向通以工作電流i，則在y方向產生出電動勢，如圖1所示，這現象稱為霍爾效應。稱為霍爾電壓
。ab)
圖a圖b
實驗表明，在磁場不太強時，電位差與電流強度i和磁感應強度b成正比，與板的厚度d成反比，即
1)或2)式（1）中稱為霍爾係數，式（2）中稱為霍爾元件的靈敏度，單位為mv / (ma·t)。產生霍爾效應的原因是形成電流的作定向運動的帶電粒子即載流子（n型半導體中的載流子是帶負電荷的電子，p型半導體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中所受到的洛侖茲力作用而產生的。
4.1.1 直放式電流感測器（開環式）
眾所周知，當電流通過一根長導線時，在導線周圍將產生一磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應到霍爾器件上並使其有一訊號輸出。這一訊號經訊號放大器放大後直接輸出，一般的額定輸出標定為4v。
4.1.2 磁平衡式電流感測器（閉環式）
磁平衡式電流感測器也稱補償式感測器，即主迴路被測電流ip在聚磁環處所產生的磁場通過乙個次級線圈，電流所產生的磁場進行補償， 從而使霍爾器件處於檢測零磁通的工作狀態。磁平衡式電流感測器的具體工作過程為：當主迴路有一電流通過時，在導線上產生的磁場被聚磁環聚集並感應到霍爾器件上， 所產生的訊號輸出用於驅動相應的功率管並使其導通，從而獲得乙個補償電流is。
這一電流再通過多匝繞組產生磁場 ，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場， 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與ip與匝數相乘所產生的磁場相等時，is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時可以通過is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。
一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有訊號輸出。經功率放大後，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是乙個動態平衡的過程。
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