在各种传感技术中，最常用、应用最广的是霍尔效应法。基于霍尔效应，有许多霍尔效应传感器或换能器在各种各样的应用中被发现，最常用来感知接近性，速度，电流和位置。
这是因为在集成电路(Ic)上与辅助信号处理电路在同一硅模上构建霍尔效应传感器是可能的。
由于体积小、坚固耐用、易于使用和成本高等优点，集成霍尔效应传感器是许多磁性测量应用的首选。
这些霍尔效应传感器的一些应用领域是;在工业控制中作为编码器、速度传感器和旅行末端传感器，在计算机中作为磁盘驱动器指数传感器和无刷风扇的换向，在汽车中作为防抱死制动系统(ABS)和点火定时，在消费设备中作为运动设备，等等。
大纲
采用霍尔的理论
霍尔效应是由埃德温·霍尔于1879年在约翰霍普金斯大学通过实验发现的。由于当时可用的仪器，由于实验的细微性质，从材料中获得的电压非常低(以微伏为数量级)。
因此，在开发出合适的材料之前，在实验室之外不可能使用霍尔效应。半导体材料的发展为霍尔效应的实际应用制造了高质量的换能器。
霍尔效应是在置于磁场中的载流导体的相反边缘上产生的电压。
当电流通过置于磁场中的导体时，导体两端沿垂直于磁场和电流的方向产生电位差，电位差的大小与电流和磁场成正比。
这就是所谓的霍尔效应，它是许多磁场测量仪器和装置的基础。
考虑下面的简单设置来演示霍尔效应。一种导电材料或电板由电池提供，使电流I流过它。电压表的一对探头连接到板的两侧，这样在没有磁场的情况下，被测电压为零。
当在极板上施加一个与电流成直角的磁场时，导体中的电流分布就会出现一个小电压。这个力作用于电流，并将电流聚集到导线或导体的一侧，从而在导体两端产生电位差。
如果磁场的极性颠倒，那么感应电压也会在整个平板上颠倒。这种现象就是霍尔效应。
霍尔效应是基于外部磁场和运动载流子之间的相互作用。在磁场中作用于移动电子的侧向力为
F =维多利亚
其中B为磁通密度，v为电子速度，q为电子电荷。考虑上图，其中磁场使电荷的运动发生偏转。将平坦的导电带置于磁场中，并将该导电带左右两侧的附加触点连接到电压表上。
带材的上下端子接电源。由于磁通量的存在，移动的电子在偏转力的作用下被移向条的右侧。结果右边比左边更负，因此存在电位差。
这种电压称为霍尔电压，其大小和方向取决于电流和磁场的大小和方向。霍尔电压为
VH= HIB sinα
其中h为总体灵敏度系数，它取决于板的材料、温度和其几何形状，α为磁场矢量与霍尔板之间的夹角，I为电流密度。
总体灵敏度取决于霍尔系数，霍尔系数是每单位电流密度每单位磁场强度的横向电位梯度。因此，霍尔系数为
H = 1/ Ncq
其中c是光速，N是单位体积的电子数。
采用霍尔传感器
大多数传感器利用霍尔效应来感知磁场的存在，这样的传感器被称为霍尔效应传感器。磁传感器的基本元件是霍尔元件。这些传感器通常封装在一个四端外壳中，其中两个终端是控制终端，其他两个是差分输出终端。
控制电流施加在控制端，而在差分输出端观察输出。一个基本的霍尔效应传感器将磁场转换成电信号。
磁系统将位置、速度、电流、温度等物理量转换为磁场，而磁场又能被霍尔效应传感器感知。
霍尔效应传感器是由硅材料制成的，主要分为两种类型，即基本传感器和集成传感器。在制造产生高输出电压的霍尔效应传感器时，有源元件的霍尔系数和电流密度是需要考虑的两个重要参数。
因此，高霍尔系数和低电阻是霍尔元件的两个重要要求。用于制造这些传感器元件的一些材料包括InSb, Ge, InAs和GaAs。
霍尔效应集成电路(IC)传感器
该集成技术与霍尔效应原理相结合，生产出霍尔效应IC开关。与光电或感应传感器相比，霍尔效应集成电路更有效，成本更低，效率更高。
这种传感器是一个单一的集成电路芯片，在其上构建了信号放大器、霍尔电压发生器和施密特触发电路等多种元件。这些集成电路检测铁磁材料、永磁体或外加偏磁的电磁铁的磁场强度的变化。
这些集成电路用于各种应用，如对准控制，速度控制，点火系统，机械限位开关，机床，计算机，键盘，按钮，安全系统等。
这些集成电路使用硅- cmos技术在各种配置中制造。上图为4引脚封装的霍尔传感器IC。在总共4个引脚中，2个引脚连接到恒压源，另外2个连接到电压表。
连接的布置如下图所示。当没有磁场时，测量到的横过片的电压可以忽略不计。
当在偏置霍尔效应传感器上施加磁场，使磁通线与流过霍尔元件的电流成直角时，霍尔IC的输出端产生的电压大小与磁场强度成正比。
霍尔效应传感器的类型
霍尔效应传感器需要一个信号调理电路，使其输出可用于许多其他应用。该信号调理电路实现了放大、调压、温度补偿、线性等功能。霍尔效应传感器主要有两种类型，即模拟传感器和双电平传感器。
模拟采用霍尔传感器
与基本霍尔传感器相比，这些传感器的工作电压范围更广，在噪声环境中也很稳定。下图显示了模拟输出霍尔效应器件，该器件产生的模拟电压与其所暴露的磁场成正比。
放大器具有偏置或固定偏置，当磁场不存在时，偏置电压出现在输出端，被认为是零电压。霍尔元件处的磁场可以是正的，也可以是负的。
因此，当感应到正磁场时，输出电压增加到零值以上，而当感应到负磁场时，输出电压下降到零值以下。
使用这些传感器，输出电压是在电源施加的限制内，因此，在达到电源限制之前，放大器将开始饱和，如图所示。
需要注意的是，饱和发生在放大器中，而不是霍尔元件中，因此更大的磁场不会对霍尔效应传感器造成损伤。
此外，这些传感器不是完全线性的磁场，因此他们需要一个适当的校准高精度的测量。此外，通过在差分放大器的输出端增加推挽型晶体管、开路集电极或开路发射极，器件的接口灵活性得到了提高。
数字输出霍尔效应传感器
这些传感器的输出有两个级别:ON或OFF。这些传感器也称为双电平传感器。此外，该放大器还包含了内置阈值迟滞的施密特触发器。这种施密特触发装置将模拟信号转换为数字输出，通过比较差分放大器输出与固定参考。
因此，当差分放大器输出大于参考值或预设值时，当其低于参考值时，施密特触发器打开，施密特触发器关闭。
两电平输出信号随磁场的变化如图所示。在这种情况下，滞回通过引入死带区消除了可避免的振荡，在该死带区中，动作在参考值或预设值通过后被禁用。
霍尔效应传感器的应用
根据应用的不同，霍尔效应传感器有不同的结构。这些是非常流行的测量设备，应用于工业过程控制，生物医学，汽车，电信，自动柜员机等不同领域。
它们被广泛应用于位置传感器、液位测量、限位开关和流量测量。一些器件基于霍尔效应工作，如霍尔效应电流传感器、霍尔效应叶片开关和霍尔效应磁场强度传感器。下面介绍霍尔效应传感器的一些应用。
位置传感器
利用霍尔效应传感器来感知滑动运动。在这种类型的off传感器中，霍尔元件和磁铁之间将有一个严格控制的间隙，如图所示。
当磁体在固定间隙前后移动时，感应磁场会发生变化。当元素接近北极时，磁场为负，当它接近南极时，磁场为正。
这些传感器也被称为接近传感器，用于精确定位。下图显示了四个数字输出双极传感器，它们被螺纹插入铝外壳，并由安装在杆上的磁铁驱动。
当磁铁在可接受的尺寸范围内移动时，这些传感器产生信号。从参考表面来看，这些信号表示测量的距离。这种类型的安排也被称为多位置传感。这种应用的最好的例子是检测照片处理设备的各种镜头位置。
流量测量
下图显示了用于测量流量的霍尔效应传感器。所述腔室具有流体进出开口，流体通过该开口流动。具有螺纹轴安排的弹簧加载桨移动磁性组件，前后朝向霍尔磁铁。
当通过腔室的流速增加时，弹簧负载的桨叶转动螺纹轴。因此，当轴转动时，磁性组件向上抬起，因此换能器获得能量。
当流量下降时，弹簧线圈使磁性组件下降。因此，传感器的输出减少。整个安排经过校准，使被测电压和流速之间有一个线性关系。
液位测量
该方法利用霍尔效应传感器确定浮子的高度，从而测量槽内的液位。下图说明了浮子和霍尔效应元件或传感器集成电路在槽中的排列。该浮子与磁铁连接，使其驱动改变磁场距离远或近霍尔元件。
当液位升高时，磁铁靠近传感器，因此输出电压增加，而当液位降低时，输出电压降低。因此，该系统提供了简单的液位测量，没有任何电气连接在罐内。
RPM传感器
速度或转速传感是霍尔效应传感器最常见的应用。在速度传感中，霍尔效应传感器被放置在这样一种静止的方式，它面对旋转磁铁。这个旋转磁铁产生操作传感器或霍尔元件所需的磁场。
旋转磁铁的排列方式可根据应用的方便程度而不同。其中一些安排是在轴或轮毂上安装单独的磁铁或通过使用环形磁铁。霍尔传感器每次面对磁铁时输出脉冲。
此外，这些脉冲由处理器控制，以确定和显示转速。这些传感器可以是数字或线性模拟输出传感器。
无刷直流电机传感器
无刷直流电动机的功率分配由电子换向代替机械换向控制。三个数字双极霍尔效应传感器被放置在定子的一端接近转子的极面执行电子换向。
为了操作这些传感器，永磁材料安装在转子轴上。这些传感器测量旋转磁铁的位置，从而确定何时应将电流施加到电机线圈的电流上，以使磁铁沿正确的方向旋转。
霍尔效应传感器感知到的信息馈给逻辑电路，逻辑电路进一步编码该信息并控制驱动电路。这种类型的反馈机制提供霍尔效应传感器测量转子的速度和位置用于许多无刷直流电动机控制应用，因为更大的灵活性。
电流传感器
霍尔效应电流传感器用于测量交流和直流电流。通过使用线性模拟霍尔效应传感器，可以测量从250毫安到数千安培的电流。
这种隔离的模拟输出电压进一步数字化;电平移位和温度补偿通过添加放大器。
携带电流的导体总是被磁场包围，因此在磁场附近放置一个线性霍尔效应传感器，然后在传感器的输出端形成一个电压，如图所示。这个电压与导体周围的磁场强度成正比。
利用霍尔效应传感器与电磁铁相结合，可以获得一种更灵敏和非常有效的隔离电流传感装置。这种安排包括一个开槽铁氧体环形铁芯与霍尔效应IC传感器定位在间隙。
传感器被铁芯包围，因此铁芯作为一个磁通集中器，因为它将感应磁场聚焦到霍尔元件放置的位置，如图所示。
通过改变磁芯上绕组的数量，这个传感器可以测量几安培到几千安培的电流。霍尔效应传感器的输出电压与流过绕组的电流成正比，因此是电流测量。
温度或压力传感器
霍尔效应传感器也可以用作压力和温度。这些传感器与带有适当磁铁的压力偏转膜片结合在一起。波纹管的磁性组件来回驱动霍尔效应元件。
在压力测量的情况下，波纹管受到膨胀和收缩的影响。波纹管的变化导致移动磁性组件接近霍尔效应元件。因此产生的输出电压与施加的压力成正比。
在测量温度的情况下，波纹管总成用具有已知热膨胀特性的气体密封。当燃烧室被加热时，风箱内的气体膨胀。这使得传感器产生的电压与温度成正比。
