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引言：霍爾效應是新課標高中物理教材（人教版）選修3-1中的一個研究課題，霍爾元件在新課標高中物理教材（人教版）選修3-2第六章“傳感器”中也有簡略介紹。課本兩處出現(xiàn)此內(nèi)容，體現(xiàn)了新課標的理念，即關注現(xiàn)代科技、聯(lián)系生產(chǎn)實際，同時也是為了拓寬學生知識面、增強學生的創(chuàng)新設計能力和激發(fā)學生的興趣。為了便于大家在教學中了解更為細致的內(nèi)容，筆者查閱了相關資料，現(xiàn)將有關內(nèi)容整理出來，供各位同行參考。
摘要：本文簡略介紹霍爾傳感器的工作原理、分類及其簡單應用。
關鍵詞：霍爾效應 霍爾元件 霍爾傳感器 分類 特性 應用
霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻杺鞲衅饕曰魻栃獮槠涔ぷ骰A，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和日常生活中有著非常廣泛的應用。
一、霍爾效應霍爾元件 霍爾傳感器
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如圖1所示，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， 它們之間的關系為
式中d 為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關。
上述效應稱為霍爾效應，它是德國物理學家霍爾于1879年研究載流導體在磁場中受力的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的。
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根據(jù)霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。
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由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。
霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖2所示，是其中一種型號的外形圖。
二、霍爾傳感器的分類
霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。
?。ㄒ唬┚€性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。
?。ǘ╅_關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。
三、霍爾傳感器的特性
（一）線性型霍爾傳感器的特性
輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁感應強度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
?。ǘ╅_關型霍爾傳感器的特性
如圖4所示，其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。
當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健?em>Bop與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。
另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如圖5所示。
當磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废?，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產(chǎn)生變化。
四、霍爾傳感器的應用
按 被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢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，這個磁場是 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)變成電學量來進行 檢測和控制。
?。ㄒ唬┚€性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如：
1．電流傳感器
由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。
霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。
2．位移測量
如圖7所示，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。
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，如圖8所示，是按這一原理制成的力傳感器。
?。ǘ╅_關型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。
1．測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)
如圖9所示，，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。
如果把開關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。
2．各種實用電路
開關型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價格便宜，因此獲得極為廣泛的應用。下面列舉兩個實用電路加以說明：
電路1 防盜報警器
如圖10所示，將小磁鐵固定在門的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處于關閉狀態(tài)時，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平，當門被非法撬開時，霍爾傳感器輸出端3為高電平，非門輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發(fā)出報警聲音。
電路2 公共汽車門狀態(tài)顯示器
使用霍爾傳感器，只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關好的指示器，例如公共汽車的三個門必須關閉，司機才可開車。電路如圖11所 示，三片開關型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個門框上，在車門適當位置各固定一塊磁鋼，當車門開著時，磁鋼遠離霍爾開關，輸出端為高電平。若三個門中有一個 未關好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關好，若三個門都關好，則或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關好，司機可放心開車。
參考文獻：
[1]成輝．傳感器的理論與設計基礎及其應用．北京：國防工業(yè)出版社，1999
[2]霍爾傳感器及應用電路．北京電子報1994合訂本P．381 |
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