霍尔原件的物理原理和应用

来之不易，希望采纳

一、 霍尔效应原理

（一）经典霍尔效应

霍尔效应是载流试样在与之垂直的磁场中由于载流子受洛仑兹力作用发生偏转而在垂直于电流和磁场方向的试样的两个端面上出现等量异号电荷而产生横向电势差U的现象。电势差U称为霍尔电压，E称为霍尔电场强度。此时的载流子既受到洛伦兹力作用又受到与洛伦兹力方向相反的霍尔电场力作用，当载流子所受的洛伦兹力与霍尔电场力相等时，霍尔电压保持相对稳定。如图1 所示，将载流导体板放在磁场中，使磁场方向垂直于电流方向，在导体板两侧ab 之间就会出现横向电势差U。

1．霍尔元件的特点。霍尔元件的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀，调试方便等。霍尔元件和永久磁体都能在很宽的温度范围(-40℃～1 50℃)、很强的振动冲击条件下工作，且磁场不受一般介质的阻隔。另外它的变换器组件能够和相关的信号处理电路集成到同一片硅片上，体积小，成本低，且具有较好的抗电磁干扰性能。

2．霍尔元件的分类。按照霍尔元件的结构可分为：一维霍尔元件、二维霍尔元件和三维霍尔元件。一维霍尔元件又被称为单轴霍尔元件，它的主要参数是灵敏度、工作温度和频率响应。运用此类器件时，就可将与适当的小磁钢一起运动的物体的位置、位移、速度、角度等信息以电信号的形式传感出来，达到了自动测量与控制的目的。二维霍尔元件的结构是二维平面，也被称为平面霍尔元件；三维霍尔元件通常被称为非平面霍尔元件。霍尔元件按功能可分为：线形元件、开关、锁存器和专用传感器。如图

人们在利用霍尔效应原理开发的各种霍尔元件已广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航天航空等工业部门及国防领域。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。直接应用是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，间接应用是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量，如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

1． 医学方面的运用

（1）利用霍尔效应，科学家研制了一种精密的电磁流量计—测量血液流速的仪器。如图4，利用电磁流量计，可以较为准确地测得流过血管的血流量。但是电磁流量计测量是一种损伤性的方法，使用时要将被测血管暴露在体外，它常常用于动物的实验和心脏、动脉手术中测定血流速度和血流量。

（2）电磁泵是一种利用作用在导电液体上的磁场力来运送导电液体的装置。如图5，这种泵在医学上常被用来输送血液或其他电解质溶液，由于这种装置没有任何机械运动部件，不会使血液中细胞受到损害，而且可以全部密封，避免了污染。在人工心肺机和人工肾装置中常用它来输送血液。

2．日常生活中的应用

录音机的换向机构就是使用霍尔传感器检测磁带终点并完成自动换向功能的；录像机中的磁鼓电机常采用锑化铟霍尔元件；洗衣机中的电动机主要依靠霍尔传感器检测与控制电动机的转速、转向功能。霍尔开关类传感器还用于电饭煲、气炉的温度控制和电冰箱的除霜等方面。大量应用于影碟机、VCD等家用电器和仪表中的霍尔电机是一种无刷电机，它是利用转速变化信号控制霍尔电压信号变化，从而调节驱动电路驱动管中的工作电流，即调节电动机定子绕组电流，实现对电动机转速与稳速的控制，克服了一般带电刷或整流子直流电机不能达到转速稳、寿命长、噪声小的致命弱点。霍尔效应动感检测器与电子线路组装可制成报警器，带在老人或消防人员身上，当出现昏迷、跌倒等危险情形时可报警发出声响，还可用来装在汽车或摩托车上，达到防盗目的。

3．工程技术中的应用

　 （1）测量电流强度。将霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。在现在的工业现场，霍尔电流传感器是电流检测的首选产品。

（2）测量微小位移。若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压UH值只由它在该磁场中的位移量来决定。产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。用霍尔元件测量位移具有灵敏度高，惯性小、频响快、工作可靠、寿命长等优点，但工作距离较小。以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。

（3）压力传感器。霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压UH。由事先校准的P～f( UH)曲线即可得到被测压力P的值。

　 （4）车用传感器。车用传感器是电子控制系统的主要组成部分之一，在实现车辆电子化中占有举足轻重的地位。一辆电子控制系统比较完整的豪华轿车中，几乎可以有20～30个霍尔传感器用于汽车工作状态的测量和控制。另外，霍尔效应传感器还可用于车用导航系统，变速器控制，汽车生产线自动控制，以及公路挠性路面的检测等。随着车辆电子化的发展，对车用传感器开展以下几个方面的研究开发：环境检测用传感器：主要集中研究开发采用微波的抗振雷达，采用红外线的障碍检测装置，采用超声波和CCD摄像机相结合的距离监测装置，采用微波与红外线和摄像机相结合的视觉放大系统。路况检测用传感器：主要研究开发监测与判断轮胎与路面的各种参数等方面的传感器。车辆状态检测用传感器：主要研究开发用于车速和角速度测量的传感器。未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。

　 （5）电磁无损探伤。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要构件，被应用于矿山、运输、建筑、旅游等行业，但由于使用环境恶劣，在它表面会产生断丝、磨损等各种缺陷，所以，及时对钢丝绳探伤检测显得尤为重要。霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场的信号变化，可以有效地检测出缺陷存在。

　 （6）磁流体发电。其基本原理就是利用等离子体的霍尔效应，即在横向磁场作用下使通过磁场的等离子体正、负带电粒子分离后积聚于两个极板形成电源电动势。这种新型的高效发电方式，通过燃料燃烧发出的热能使气体变成高温高压的等离子体流而转换成电能，既提高了热能利用效率又满足了环保的要求。磁流体发电技术，可能是今后取代火力发电的一个方向，磁流体发电发展前景广阔。

1、霍尔式曲轴位置传感器是利用霍尔效应的原理，产生与曲轴转角相对应的电压脉冲信号的。

2、利用触发叶片或轮齿改变通过霍尔元件的磁场强度，从而使霍尔元件产生脉冲的霍尔电压信号，经放大整形后即为曲轴位置传感器的输出信号。

霍尔式曲轴位置传感器的结构和工作

（1）采用触发叶片的霍尔式曲轴位置传感器；

（2）采用触发轮齿的霍尔式曲轴位置传感器。

说到开关，你首先想到的可能是家里那种一按灯就亮的基本款。同样是开关，今天小兔要介绍的这一款，有着一个酷酷的名字——霍尔式接近开关。接近开关的类型有很多种，霍尔式接近开关是其中之一。它在航空技术领域、航天技术研发和一些工业生产领域中，都有非常广泛的应用。虽然不起眼，却发挥着不可或缺的作用，可以说科技生产的重要组成部分。

霍尔式接近开关工作原理：

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=K·I·B/d，其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场(洛伦慈力Lorrentz)的磁感应强度，d是薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔元件就属于这种有源磁电转换器件，是一种磁敏元件。它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。

霍尔接近开关就是利用霍尔元件的这一特性制作的，它的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度(如B1)时，霍尔接近开关内部的触发器翻转，霍尔接近开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和其他传感器类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型(双极性)、双信号输出之分。霍尔接近开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。

当磁性物件移近霍尔接近开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

看完小兔的介绍之后，你是不是对霍尔式接近开关及其工作原理也有了一定的了解呢？不要以为这样高大上的零部件只出现在航天航空这些研究领域，其实我们在日常生活中也常常能够接触到尔式接近开关。例如在一些车库和酒店的自动门，银行、档案机关的防盗设备，还有一些测量技术中，都能够发现它的踪影。它在我们的生活中发挥的作用可真是不小哦！

工作原理：

1、使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。

2、因为霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，要有外加电源才能工作，这一特点能检测转速低的运转情况。

扩展资料：

霍尔传感器使用注意事项：

1、霍尔传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管，一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。

2、霍尔传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。

3、传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟

4、传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。

参考资料来源：百度百科-霍尔传感器

霍尔元件的结构及工作原理

霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。霍尔元件是一个N型半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场氏

则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场B的乘积成工比的电压。这个现象就是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压UR

霍尔传感器的工作原理是：

磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。

霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。

若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。

这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。

霍尔效应传感器：

1-霍尔半导体元件

2-永久磁铁

3-挡隔磁力线的叶片。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(AHHall，1855-1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于:Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关;I为霍尔元件的偏置电流;B为磁场强度;d为半导体材料的厚度。

对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流 I 固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。

霍尔效应：长宽厚分别为L，b，d的半导体薄皮，当被置于磁感应强度为B的磁场时，如果在其相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体的另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势Uh，这种现象称为霍尔效应。

工作原理：当N型半导体霍尔元件通以电流I时，其中的自由电荷即载流子受到洛伦兹力作用，，使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏转，方向符合右手螺旋定则，即在不同表面出现电荷的积聚。由于电荷积聚产生静电场，即为霍尔电场，该电场对电子的作用力与洛伦兹力方向相反，阻止电子继续偏转，两者逐渐达到动态平衡。产生稳定的霍尔电势输出。

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