霍尔传感器的原理及应用

　　导读：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，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。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。

　　霍尔效应的原理

　　霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall,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。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。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；IC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，Vh将完全取决于被测的磁场强度B.

　　一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。

      线性霍尔元件的原理：

　　UGN350lT是一种目前较常用的三端型线性霍尔元件。它由稳压器、霍尔发生器和放大器组成。用UGN350lT可以十分方便地组成一台高斯计。其使用十分简单，先使B=0,记下表的示值VOH,再将探头端面贴在被测对象上，记下新的示值VOH1.ΔVOH=VOH1-VOH,如果ΔVOH>0,说明探头端面测得的是N极；反之为S极。UGN3501T的灵敏度为7V/T,由此即可测出相应的被测磁感应强度B.如果采用数字电压表（DVM），可得图1所示的线性高斯计。运放采用高精度运放CA3130.该电路的具体调零方式为：开启电源后，令B=0,调节W1使DVM的示值为零，然后用一块标准的钕铝硼磁钢（B=0.1T）贴在探头端面上，调节W2使DVM的示值为1V即可。本高斯计检测时示值如果为-200mV,则探头端面检测的是S极，磁场强度为0.02T.本高斯计也可用来测量交变的磁场，不过DVM应改为交流电压表。显然使用图1的电路可以很方便地扩展普通数字万用表的功能。

　　用UGN3501T还可以十分方便地组成如图2所示的钳形电流表。将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中，当有电流流过导线时，就会在钳形圆环中产生磁场，其大小正比于流过导线电流的安匝数；这个磁场作用于霍尔元件，感应出相应的霍尔电势，其灵敏度为7V/T,经过运放μA741调零，线性放大后送入DVM,组成数字式钳形电流表。该表的调试也十分简单：导线中的电流为零时，调节W1、W2使DVM的示值为零。然后输入50A的电流，调W3使DVM读数为5V;反向输入-50A电流，数字表示值为-5V.反复调节W1、W2、W3,读数即可符合要求。本钳形电流表经实验，其灵敏度不小于0.1V/A,同样，本电流表也可用于交流电流的测量，将DVM换成交流电压表即可，十分方便。

　　霍尼韦尔传感器应用以及在电动自行车行业的应用

　　霍尔传感器的应用非常的广泛，在航空航天技术，医疗技术，交通运输，工业以及测量和测试等诸多领域都做出了重大的的贡献。目前应用领域比较活跃的就是电动自行车领域。这一切都归根于霍尼韦尔的高质量四霍尔式元件，其它高灵敏度霍尔效应锁存器采用的是双霍尔或者单霍尔元件，这使得它对封装应力非常敏感，而四霍尔元件则使这些传感器更加稳定和出色。这些新型的高灵敏度锁存器是专门为无刷直流电机设计的。它的特点有：宽温度范围，高灵敏度，紧凑型设计（有SOT-23和TO-92两种封装供客户选择），双极锁存型磁性元件（在整个使用温度范围内均能保持性能稳定），宽电压范围，内置反向电压功能，符合ROHS标准的材料，所有这些优良特性对各类工业应用中的无刷电流电机而言都十分重要。霍尼韦尔传感器配有可靠的高磁灵敏度开关点，并且，其霍尔元件上也未使用斩波稳定技术。霍尼拥有的这些特性使得传感器能够输出完整的信号，缩短锁存响应时间至20微秒。

                                        图3 电动车控制实验图

　　霍尔传感器对电动车调速转把

　　调速转把顾名思义是电动车的调速部件，这是一种线性调速部件，样式很多但工作原理是一样的。它一般位于电动车的右边，既骑行时右手的方向，电动车转把的转动较度范围在0-30度制之间。转把与闸把的信号特征：转把的形式、信号特征及其信号改制。

　　电动车的转把有3根引线：分别是电源（细红 +5V），地线（细黑），转把调速信号线（线形连续变化信号 细绿）。电动车上使用的转把有光电转把和霍耳转把两种，目前采用霍耳转把的电动车占绝大多数。 常见线性霍尔元件型号有：AH3503 AH49E A3515 A3518 SS495 如：AH3503线性霍尔电路由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成，其输入是磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压。静态输出电压（B=0GS）是电源电压的一半左右。S磁极出现在霍尔传感器标记面时，将驱动输出高于零电平；N磁极将驱动输出低于零电平；瞬时和比例输出电压电平决定与器件最敏感面的磁通密度。提高电源电压可增加灵敏度。产品特点：体积小、精确度高、灵敏度高、线性好、温度稳定性好、可靠性高。霍耳转把输出电压的大小，取决于霍耳元件周围的磁场强度。转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出电压。

　　在电动车上使用的霍耳转把的信号有以下几种：转把的种类输出电压，正把/5V供电，反把/5V供电，单霍耳转把1.1-4.2（最多）/4.2-1.1（少量）；单霍耳转把2.6-3.7（极少）/3.7-2.6;单霍耳转把1-2.5/2.5-1;单霍耳转把2.5-4/4-2.5;双霍耳转把0-5/5-0;光电转把0-5（少量）/5-0.其中最常用的是以下两种信号的转把：1-4.2V（俗称正把），4.2-1V（俗称反把）。两种信号的转把中，是1.0V~4.2V的转把占绝大多数。其它输出电压的转把，目前市场中存在很少，已成为事实中的非标产品，这种非标的转把在早期的电动车上使用比较多。因此目前市场上通用的控制器绝大多数是识别1-4.2V转把信号的产品。当电动车的转把或控制器需要维修更换时，一旦遇到转把信号与控制器不匹配的情况时，这就需要对转把进行改制，使其输出信号能匹配控制器。转把输出信号改制：将转把拆开，改变转把里面磁钢工作面的极性，就可以改变转把输出的电位。如果转把内有两个磁钢，分别将两个磁钢都转180°，再装好；如果转把内只有1个磁钢，将磁钢取出，反转180°后，装好转把，这样就改变了转把里面霍耳元件工作磁场的起始位置，从而实现了转把输出信号的改制。 锁定转把的转把上加了一个机械开关按钮，可以在控制器的控制下作为模式转换按钮，用于1:1助力，电动，定速，故障自检的模式转换。

　　霍尔传感器对电动车刹把

　　转把信号是电动车电机旋转的驱动信号，刹信号是电机停止转动的制动信号。电动车标准要求电动车在刹车制动时，控制器应能自动切断对电机的供电。因此电动车闸把上应该有闸把位置传感元件，在有捏刹车把动作时，将刹车信号传给控制器，控制器接受到刹车信号后，立即停止对电机的供电。

　　电动车闸把的位置传感元件有机械式微动开关（分机械常开和机械常闭两种）和开关型霍耳感应元件（分刹车低电位和刹车高电位两种）两种。机械开关型有两条引线一条接负极另一条接断电线，适用于低电平刹车控制器。对于支持高电平刹车的控制器为一条接+12V,另一条接断电线。 霍耳型三条引出线分别：刹车线（细蓝 +5V），负极（细黑），剩余的一条为断电线。常见单极性开关霍尔元件型号的型号有：AH41/ AH3144/ A3144/ A3282。

　　一般机械常开的刹车信号是常高电位，当刹车时，闸把内部的微动开关闭合，其信号变成低电位。一般机械常闭的刹车信号是常低电位，当刹车时，闸把内部的微动开关打开，其信号变成高电位。一般电子低电位闸把的刹车信号是常高电位，当刹车时，闸把内部的霍耳元件信号翻转，其信号变成低电位。一般电子高电位闸把的刹车信号是常低电位，当刹车时，闸把内部的霍耳元件信号翻转，其信号变成高电位。刹车信号高低电位的变化，是控制器识别电动车是否处于刹车状态，从而判断控制器是否给电机供电。当电动车的闸把或控制器需要维修更换时，会遇到闸把信号与控制器不匹配的情况时，这就需要对闸把进行改制，使其输出信号能匹配控制器。因此在维修实践中，不论刹把的形式如何，也不论控制器识别何种刹车信号，应做到能对各种形式的刹车信号进行适当改进，以匹配成控制器能识别的信号。