霍尔传感器的原理、分类与多元应用
霍尔效应是一种奇妙的物理现象:当电流流经置于磁场中的导体时,导体内部会产生一个电势差。此电势差与电流方向、磁场方向相互垂直,且其大小和磁感应强度的垂直分量以及电流大小成正比。
基于霍尔效应,人们用半导体材料制成霍尔元件。不过,霍尔元件产生的电势差通常较小,为方便实际应用,常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路以及稳压电源电路等集成在一个芯片上,这样集成的器件便是霍尔传感器。那么,霍尔传感器在实际中有哪些主要应用呢?
霍尔传感器的分类
霍尔传感器主要分为线性型和开关型两类。
线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器构成,输出模拟量。它又可细分为开环式和闭环式,其中闭环式也叫零磁通霍尔传感器,主要用于交直流电流和电压的测量。
开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成,输出数字量。此外,它还有一种特殊形式——锁键型霍尔传感器。
线性型霍尔传感器的应用
电流测量
通电螺线管内部存在磁场,且磁场大小与导线中的电流成正比。利用这一特性,霍尔传感器可通过测量磁场来确定导线中的电流大小。
霍尔电流传感器功能较强,能测量任意波形的电流和电压,输出端可真实反映输入端电流或电压的波形参数。针对霍尔效应传感器普遍存在的温度漂移问题,采用补偿电路进行控制,有效降低了温度对测量精度的影响,确保测量准确。它还有着精度高、安装方便、价格实惠等优点。
电压测量
霍尔电压传感器利用霍尔效应将原边电压转化为副边可测量信号。原边电压先通过外置或内置电阻将电流限制在10mA,此电流经过多匝绕组后,聚磁材料使原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到,并感应出相应电动势。该电动势经电路调整后反馈给补偿线圈进行补偿,使补偿线圈产生的磁通与原边电流产生的磁通大小相等、方向相反,从而在磁芯中保持磁通为零。实际上,它采用的是和磁平衡闭环霍尔电流传感器相同的技术,即零磁通霍尔电流传感器技术。
位移测量
当给霍尔元件通以恒定电流时,在其垂直于磁场和电流的方向上会有霍尔电势输出。若霍尔元件在梯度磁场中上下移动,输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量x。通过测量霍尔电势的大小,就能得知霍尔元件的静位移。霍尔式位移传感器主要由梯度磁场、锗材料半导体霍尔片、测量电路和显示部分构成。
开关型霍尔传感器的应用
测转速或转数
在非磁性材料的圆盘边缘粘一块磁钢,将霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处。圆盘每旋转一周,霍尔传感器就输出一个脉冲,通过计数器可测出转数;接入频率计则可测出转速。若把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上,当装在运动车辆上的永磁体经过时,测量电路能测得脉冲信号,根据脉冲信号分布可测出车辆运动速度。
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