如何用3D動(dòng)畫(huà)講解霍爾效應(yīng)原理

3D動(dòng)畫(huà)講解霍爾效應(yīng)原理

什么是霍爾效應(yīng)？

霍爾效應(yīng)是由帶電粒子（如電子）相應(yīng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用引起的。更為形象生動(dòng)的大家可以看下面這個(gè)霍爾效應(yīng)原理動(dòng)畫(huà)圖。

霍爾效應(yīng)原理動(dòng)圖畫(huà)來(lái)源于外網(wǎng)

霍爾效應(yīng)原理

當(dāng)導(dǎo)電板連接到帶有電池的電路時(shí)，電流開(kāi)始流動(dòng)。電荷載體將沿著從板的一端到另一端的線性路徑。電荷載流子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致磁場(chǎng)的產(chǎn)生。當(dāng)磁體靠近板放置時(shí)，電荷載流子的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變。這擾亂了電荷載流子的直線流動(dòng)。擾亂電荷載流子流動(dòng)方向的力稱為洛倫茲力。

由于電荷載流子磁場(chǎng)的畸變，帶負(fù)電的電子將偏轉(zhuǎn)到板的一側(cè)，而帶正電的空穴將偏轉(zhuǎn)到板的另一側(cè)。在板的兩側(cè)之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電位差，稱為霍爾電壓，可以用儀表測(cè)量。

霍爾效應(yīng)和洛倫茲力，藍(lán)色箭頭 B 表示垂直穿過(guò)導(dǎo)電板的磁場(chǎng) 霍爾效應(yīng)原理表明：當(dāng)將載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體引入垂直磁場(chǎng)時(shí)，可以在電流路徑成直角的位置測(cè)量電壓。霍爾電壓表示為 VH 由公式給出：

霍爾電壓公式

VH 是導(dǎo)電板上的霍爾電壓

I 是流過(guò)傳感器的電流

B 是磁場(chǎng)強(qiáng)度

q 是電荷

n 是每單位體積的電荷載流子的數(shù)量

d 是傳感器的厚度

霍爾效應(yīng)傳感器原理

當(dāng)傳感器周圍的磁通密度超過(guò)某個(gè)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)到它并產(chǎn)生稱為霍爾電壓 VH 的輸出電壓。具體的原理如下圖所示。

霍爾效應(yīng)傳感器基本上由一塊薄薄的矩形 p 型半導(dǎo)體材料組成，例如砷化鎵 (GaAs)、銻化銦 (InSb) 或砷化銦 (InAs)，其自身通過(guò)連續(xù)電流。

霍爾效應(yīng)傳感器原理圖當(dāng)霍爾效應(yīng)傳感器放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通量線對(duì)半導(dǎo)體材料施加一個(gè)力，使載流子、電子和空穴偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體板的任一側(cè)。電荷載流子的這種運(yùn)動(dòng)是它們穿過(guò)半導(dǎo)體材料時(shí)所經(jīng)歷的磁力的結(jié)果。當(dāng)這些電子和空穴向側(cè)面移動(dòng)時(shí)，由于這些電荷載流子的積累，在半導(dǎo)體材料的兩側(cè)之間會(huì)產(chǎn)生電位差。然后，電子通過(guò)半導(dǎo)體材料的運(yùn)動(dòng)受到與其成直角的外部磁場(chǎng)的影響，這種影響在扁平矩形材料中更大。霍爾效應(yīng)提供有關(guān)磁極類型和磁場(chǎng)大小的信息。例如，南極會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生電壓輸出，而北極則不會(huì)產(chǎn)生任何影響。通常，霍爾效應(yīng)傳感器和開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為在不存在磁場(chǎng)時(shí)處于“關(guān)閉”狀態(tài)（開(kāi)路狀態(tài)）。它們只有在受到足夠強(qiáng)度和極性的磁場(chǎng)時(shí)才會(huì)“打開(kāi)”（閉路條件）。

霍爾效應(yīng)傳感器

在最簡(jiǎn)單的形式中，傳感器作為模擬傳感器工作，直接返回電壓。在已知磁場(chǎng)的情況下，可以確定其與霍爾板的距離。使用傳感器組，可以推斷出磁體的相對(duì)位置。

通常，霍爾效應(yīng)傳感器與允許設(shè)備以數(shù)字（開(kāi)/關(guān)）模式運(yùn)行的電路相結(jié)合，并且在此配置中可能被稱為開(kāi)關(guān)。下圖為包含兩個(gè)磁鐵的輪子經(jīng)過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器，可以明顯的看到燈的變化。

包含兩個(gè)磁鐵的輪子經(jīng)過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器

大多數(shù)霍爾效應(yīng)器件不能直接切換大型電氣負(fù)載，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲵?qū)動(dòng)能力非常小，大約為 10 到 20mA。對(duì)于大電流負(fù)載，在輸出中添加一個(gè)集電極開(kāi)路（電流吸收）NPN 晶體管。如下圖所示：

該晶體管在其飽和區(qū)域中作為 NPN 灌電流開(kāi)關(guān)工作，只要施加的磁通密度高于“ON”預(yù)設(shè)點(diǎn)的磁通密度，就會(huì)將輸出端子短接到地。輸出開(kāi)關(guān)晶體管可以是發(fā)射極開(kāi)路晶體管、集電極開(kāi)路晶體管配置或兩者都提供推挽輸出類型配置，該配置可以吸收足夠的電流以直接驅(qū)動(dòng)許多負(fù)載，包括繼電器、電機(jī)、LED 和燈。

典型的霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)圖霍爾效應(yīng)傳感器可提供線性或數(shù)字輸出。線性（模擬）傳感器的輸出信號(hào)直接取自運(yùn)算放大器的輸出，輸出電壓與通過(guò)霍爾傳感器的磁場(chǎng)成正比。該輸出霍爾電壓為：

霍爾電壓公式圖

V H是以伏特為單位的霍爾電壓

R H是霍爾效應(yīng)系數(shù)

I是流過(guò)傳感器的電流，單位為安培

t是傳感器的厚度，單位為 mm

B是特斯拉的磁通量密度

線性或模擬傳感器提供連續(xù)的電壓輸出，該輸出隨強(qiáng)磁場(chǎng)增加而隨著弱磁場(chǎng)減少。在線性輸出霍爾效應(yīng)傳感器中，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，來(lái)自放大器的輸出信號(hào)也會(huì)增加，直到它開(kāi)始因施加電源的限制而飽和。磁場(chǎng)的任何額外增加都不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響，但會(huì)使其更加飽和。

霍爾傳感器測(cè)量方法--磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)路徑

霍爾效應(yīng)傳感器由磁場(chǎng)激活，在許多應(yīng)用中，該設(shè)備可以通過(guò)連接到移動(dòng)軸或設(shè)備的單個(gè)永磁體來(lái)操作。有許多不同類型的磁鐵運(yùn)動(dòng)，例如“正面”、“側(cè)身”、“推拉”或“推-推”等感應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

使用每種類型的配置，以確保最大靈敏度，磁通線必須始終垂直于設(shè)備的感應(yīng)區(qū)域，并且必須具有正確的極性。此外，為了確保線性，需要高場(chǎng)強(qiáng)磁鐵，以便為所需的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的場(chǎng)強(qiáng)變化。檢測(cè)磁場(chǎng)有多種可能的運(yùn)動(dòng)路徑，以下是使用單個(gè)磁體的兩種更常見(jiàn)的傳感配置：正面檢測(cè)和側(cè)向檢測(cè)。 1、霍爾傳感器測(cè)量方法--正面檢測(cè) 顧名思義，“正面檢測(cè)”要求磁場(chǎng)垂直于霍爾效應(yīng)傳感設(shè)備，并且為了檢測(cè)，它直接朝向有源面接近傳感器。一種“正面”的方法。

這種正面方法會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)VH，它在線性器件中表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，即磁通量密度，它是距霍爾效應(yīng)傳感器的距離的函數(shù)。距離越近，磁場(chǎng)越強(qiáng)，輸出電壓越大，反之亦然。線性器件還可以區(qū)分正磁場(chǎng)和負(fù)磁場(chǎng)。非線性裝置可以在遠(yuǎn)離磁鐵的預(yù)設(shè)氣隙距離處觸發(fā)輸出“ON”，以指示位置檢測(cè)。 2、霍爾傳感器測(cè)量方法--側(cè)身檢測(cè) 第二種傳感配置是“橫向檢測(cè)”。這需要在霍爾效應(yīng)元件的表面上橫向移動(dòng)磁鐵。當(dāng)磁場(chǎng)在固定氣隙距離內(nèi)穿過(guò)霍爾元件的表面時(shí)，側(cè)向或滑過(guò)檢測(cè)對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的存在很有用，例如，計(jì)算旋轉(zhuǎn)磁鐵或電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)磁場(chǎng)通過(guò)傳感器零場(chǎng)中心線時(shí)的位置，可以產(chǎn)生表示正輸出和負(fù)輸出的線性輸出電壓。這允許定向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，它可以是垂直的也可以是水平的。

霍爾傳感器--位置檢測(cè)器

根據(jù)設(shè)備的類型（無(wú)論是數(shù)字的還是線性的），有許多不同的方法可以將霍爾效應(yīng)傳感器連接到電氣和電子電路。一個(gè)非常簡(jiǎn)單且易于構(gòu)建的實(shí)例如下圖：

位置檢測(cè)器當(dāng)不存在磁場(chǎng)（0 ）時(shí)，正面位置檢測(cè)器將“關(guān)閉”。當(dāng)永磁體南極（正高斯）垂直移動(dòng)到霍爾效應(yīng)傳感器的有效區(qū)域時(shí)，設(shè)備將“打開(kāi)”并點(diǎn)亮 LED。一旦切換“ON”，霍爾效應(yīng)傳感器將保持“ON”。

霍爾傳感器優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn) 1. 霍爾效應(yīng)傳感器可以用作電子開(kāi)關(guān)。

這種開(kāi)關(guān)的成本低于機(jī)械開(kāi)關(guān)，而且更可靠。

它的工作頻率最高可達(dá) 100 kHz。

它不會(huì)受到觸點(diǎn)反彈的影響，因?yàn)槭褂昧司哂袦蠊δ艿墓虘B(tài)開(kāi)關(guān)而不是機(jī)械觸點(diǎn)。

由于傳感器采用密封包裝，因此不會(huì)受到環(huán)境污染物的影響。因此，它可以在惡劣的條件下使用。

2. 對(duì)于線性傳感器（用于磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量），霍爾效應(yīng)傳感器：

可以測(cè)量范圍廣泛的磁場(chǎng)

可以測(cè)量北極或南極磁場(chǎng)

可以是平的

缺點(diǎn)

霍爾效應(yīng)傳感器提供的測(cè)量精度遠(yuǎn)低于磁通門(mén)磁力計(jì)或基于磁阻的傳感器。此外，霍爾效應(yīng)傳感器漂移顯著，需要補(bǔ)償。