在各种传感技术中，最常用和最广泛的磁场检测方法是霍尔效应法。基于霍尔效应，在各种各样的应用中发现了许多霍尔效应传感器或换能器，最常用来检测接近、速度、电流和位置。
这是因为可以在集成电路(Ic)上建造霍尔效应传感器，并在同一个硅晶片上建造辅助信号处理电路。
由于体积小、坚固耐用、易于使用和成本低等优点，集成霍尔效应传感器是许多磁测量应用的首选。
使用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，速度传感器和行驶传感器的结束，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，在汽车作为防姑娘制动系统（ABS）和点火时间，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1879年由约翰·霍普金斯大学的埃德温·霍尔通过实验发现的。根据当时可用的仪器，从实验的微妙性质来看，从材料中获得的电压非常低(以微伏数量级)。
因此，在研制出合适的材料之前，霍尔效应在实验室之外是不可能使用的。半导体材料的发展为霍尔效应的实际应用提供了高质量的传感器。
霍尔效应是放置在磁场中的载流导体的两端产生电压。
当电流通过放置在磁场中的导体时，在导体上产生电位差，电位差的大小与电流和磁场的大小成正比。
这被称为霍尔效应，是许多磁场测量仪器和设备的基础。
考虑使用下面的简单设置来演示霍尔效果。一种导电材料或极板由电池提供，电流I通过它。电压表的两个探头连接在两极板的两侧，这样在没有磁场的情况下，被测电压为零。
当磁场被施加到板上，使得它与电流流程直角，则对于导体中的电流分布出现小电压。该力作用在电流上，并将电流包围到导线或导体的一侧，这导致导体上的电位差异。
如果磁场的极性颠倒，那么感应电压也在平板上颠倒。这种现象就是霍尔效应。
霍尔效应基于外部磁场与移动电荷载流子之间的相互作用。在给出磁场时作用在移动电子上的侧力
f = qvb.
其中B是磁通密度，V是电子和Q的速度是电子电荷。考虑上述图，其中磁场偏转了电荷的移动。扁平导电条放置在磁场中，左侧和右侧的条带的附加触头连接到电压表。
条带的下端和上端子连接到电源供电源。由于存在磁通量，移动电子通过偏转力朝向条带的右侧移动。这导出比左侧更负，因此存在潜在的差异。
该电压称为霍尔电压，其幅度和方向取决于电流和磁场的两个幅度和方向。霍尔电压给出
VH= HIB sinα
其中H是整体灵敏度的系数，这取决于板材，温度及其几何形状，α是磁场矢量和霍尔板之间的角度，并且I是电流密度。
总的灵敏度取决于霍尔系数，霍尔系数是单位电流密度和单位磁场强度的横向电势梯度。因此，霍尔系数为
H = 1 / NCQ
其中c是光速，N是单位体积内的电子数。
霍尔效应传感器
大多数传感器利用霍尔效应来感知磁场的存在，这种传感器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，其中两个端子是控制端子，另外两个是差分输出端子。
控制电流施加在控制端子上，而输出在差分输出端子上观察到。一个基本的霍尔效应传感器将磁场转换为电信号。
磁系统将诸如位置，速度，电流，温度等的物理量转换为磁场，这又可以通过霍尔效应传感器感测。
霍尔效应传感器由硅材料制成，主要分为两种类型，即基本传感器和集成传感器。主动元素的霍尔系数和电流密度是在制造霍尔效应传感器以产生高输出电压的同时考虑的两个重要参数。
因此，高霍尔系数和低电阻是霍尔元素的两个重要要求。用于在这些传感器中制造元件的一些材料包括INSB，GE，INA和GAAs。
霍尔效应集成电路传感器
将集成技术与霍尔效应原理相结合，生产霍尔效应IC开关。与光电或电感传感器相比，霍尔效应集成电路更有效，成本更低，效率更高。
这种传感器是一个集成电路芯片，其中构建了信号放大器，霍尔电压发生器和施密特触发电路等各种组件。这些IC检测铁磁性材料或永磁体或具有施加磁偏压的电磁铁的磁场强度的变化。
这些IC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。
这些集成电路是使用硅- cmos技术在不同的配置。上图为4引脚封装的霍尔效应传感器IC。4个引脚中，2个接恒压源，另外2个接电压表。
连接的安排如下图所示。当没有磁场时，测量到的薄片上的电压可以忽略不计。
当磁场施加在偏置的霍尔效应传感器时，使得通量线与流过霍尔元件的电流直角，则电压在Hall IC的输出端子中产生，其大小比例磁场强度。
霍尔效应传感器的类型
霍尔效应传感器需要一个信号调节电路，使其输出可用于许多其他应用。该信号条件电路进行放大，电压调节，温度补偿，线性等。主要是有两种类型的霍尔效应传感器，即模拟和双级传感器。
模拟霍尔效应传感器
与基本的霍尔传感器相比，这些传感器在更宽的电压范围内运行，并且在嘈杂的环境中也稳定。下图显示了模拟输出霍尔效应装置，其产生与其暴露的磁场成比例的模拟电压。
放大器设置有偏置或固定偏移，使得当磁场不存在时，偏置电压出现在被认为是空电压的输出上。磁场可以是霍尔元件的正面或负面。
因此，当感知到正磁场时，输出电压高于空值，而当感知到负磁场时，输出电压低于空值。
使用这些传感器，输出电压在电源施加的限制内，因此，在达到电源限制前，放大器将开始饱和如图所示。
需要注意的是，饱和是在放大器中发生的，而不是在霍尔元件中，因此不存在较大磁场对霍尔效应传感器的损伤。
此外，这些传感器与磁场的关系并不完全是线性的，因此它们需要对高精度测量进行适当的校准。此外，通过在差分放大器的输出端加入推挽型晶体管、开路集电极或开路发射极，增加了器件的接口灵活性。
数字输出霍尔效应传感器
这些传感器的输出有两个级别：打开或关闭。这些传感器也称为双级传感器。此外，放大器包含施密特触发器，内置阈值级别的滞后。该施密特触发器布置通过将差分放大器输出与固定参考进行比较来将模拟信号转换为数字输出。
因此，当差分放大器输出大于参考或预设值时，施密特触发器在低于参考值时打开，Schmitt触发关闭。
作为磁场函数的两电平输出信号如图所示。在这种情况下，迟滞现象通过引入死带区来消除可避免的振荡，在这个死带区中，在参考值或预设值通过后，动作被禁用。
霍尔效应传感器的应用
取决于应用，霍尔效应传感器以各种配置构建。这些是在工业过程控制，生物医学，汽车，电信，自动柜员等各种应用领域中使用的非常流行的测量装置。
这些非常广泛地用作位置传感器，液位测量，限位开关和流量测量。一些设备基于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等一些器件。霍尔效应传感器的一些应用如下所述。
位置传感器
霍尔效应传感器用于传感滑动运动。在这种类型的OFF传感器中，霍尔元件和磁体之间会有紧密控制的间隙，如图所示。
当磁铁在一个固定的间隙来回移动时，感应磁场会发生变化。当元素接近北极时，这个磁场是负的，当它接近南极时，这个磁场是正的。
这些传感器也称为接近传感器，用于精确定位。下图示出了四个数字输出双极传感器，其被螺纹拧入铝壳中，并由安装在杆上的一个磁体致动。
当磁体以可接受的尺寸限制移动时，这些传感器产生信号。从参考表面，这些信号表示测量的距离。这种类型的布置也称为多位置感测。这种应用的最佳示例是检测照片处理设备的各种镜头位置。
流量测量
下图为用于流量测量的霍尔效应传感器。所述腔室设有流体进出开口，流体通过该开口流动。带有螺纹轴装置的弹簧加载桨将磁性组件朝霍尔磁铁来回移动。
当流量增加通过腔室，弹簧负载桨转动螺纹轴。因此，当轴转动时，磁性组件向上抬起，因此换能器被通电。
当流量减小时，弹簧线圈会导致磁性组件下降。因此，换能器输出降低。这种整个布置被校准，使得在测量的电压和流速之间存在线性关系。
液位测量
该方法利用霍尔效应传感器来确定浮子的高度，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IC在水槽中的布置。浮子与磁铁相连，这样它的驱动改变磁场距离远或近霍尔元件。
随着液位上升的，磁体更靠近传感器，因此输出电压增加，而当液位下降时，该电压降低。因此，该系统提供简单的液位测量，而没有罐内的任何电连接。
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，霍尔效应传感器被固定放置，以面对旋转的磁铁。这个旋转的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以根据应用的方便性而有所不同。其中一些安排是在轴或轮毂上安装单个磁铁或使用环形磁铁。霍尔传感器每次面对磁体时都会输出脉冲。
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控制而不是机械换向控制。三个数字双极霍尔效应传感器被放置在定子的一端靠近转子的极面，以执行电子换向。
为了操作这些传感器，永磁材料被安装在转子轴上。这些传感器测量旋转磁铁的位置，以便确定何时应该将电流施加到电机线圈上，以使磁铁朝正确的方向旋转。
霍尔传感器感知到的信息被送入逻辑电路，该逻辑电路对信息进行编码并控制驱动电路。这种反馈机制由霍尔效应传感器提供，用于测量转速和转子位置，用于许多无刷直流电机控制应用，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 mA到数千安培的电流。
该隔离的模拟输出电压进一步数字化;通过添加放大器进行水平移位和温度补偿。
载流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产生一个电压，如图所示。这个电压与导体周围的磁场强度成正比。
将霍尔效应传感器与电磁铁结合使用，可以得到一种更灵敏和非常有效的隔离电流传感装置。这种布置包括一个开槽的铁氧体环形铁芯，其霍尔效应IC传感器位于间隙中。
传感器由芯包围，因此芯充当磁通集中器，因为它将诱导的磁场聚焦到霍尔元件的位置，如图所示。
通过改变铁芯上的绕组数，这个传感器可以测量从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，因此电流测量值也就成正比。
温度或压力传感器
霍尔效应传感器也可用作压力和温度。这些传感器与压力偏转的隔膜结合，具有适当的磁体。波纹管的磁性组件致动到霍尔效应元件。
在压力测量的情况下，波纹管受到膨胀和收缩。波纹管的变化导致将磁性组件移动到霍尔效应元件的邻近。因此，输出电压与施加的压力成比例。
在温度测量的情况下，波纹管组件用具有已知热膨胀性能的气体密封。当腔室被加热时，波纹管内的气体被扩展。这导致从与温度成比例的传感器产生的电压。
