霍尔传感器原理及其应用
摘要
20 世纪末,集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展,各种性能的集成霍尔传感器不断涌现,它们已在汽车、纺织、化工、通讯、电机、电信、计算机等各个领域得到广泛的应用,特别是由集成开关型霍尔传感器制成的无刷直流电机(霍尔电机) 已经进入千家万户. 广泛应用于录音机、摄录像设备、VCD、DVD、及新型助力自行车等家用电器中. 笔者将集成开关型霍尔传感器及其计时装置应用于力学实验中,同时还可对该传感器的特性参数进行测量. 由于保留了传统的实验方法,所以使实验的内容更具综合性,它一方面能让学生从多角度地了解和掌握一些经典的测量手段和操作技能.另一方面由于加入了用集成开关型霍尔传感器来测量时间或周期的新方法,使学生对这种传感器的特性及在自动测量和自动控制中的作用有进一步的认识,从而真正领略这一最新传感技术的风采. 传统实验与现代化技术相结合对推进素质教育,培养想象能力和创新能力是十分有用的. 而这类实验已在我校的中学物理实验研究课程中开设,教师和学生都很有兴趣,教学效果很好。
霍尔的实验原理
当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产 生电位差，如图1所示，这种现象就称为霍尔效应。
图1
两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=
其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场(洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。
霍尔接近开关是用“霍尔效应”的磁感应现象来实现电子开关的开关,工作电压范围5-24V。霍尔传感器对磁场感应特别灵敏，所以与他配合工作的是一块小磁铁。当磁铁与它接近时。若B在一定值以上时，霍尔传感器输出高电平，若B小于一定值时，霍尔传感器会输出低电平。利用霍尔开关的特性，我们可以很容易实现对电路的自动控制。
霍尔接近开关既有霍尔开关元件所具有的无触点，无开关瞬态抖动，高可靠，抗干扰能力强及抗腐蚀和长寿命等特点，又有很强的负载能力和广泛的功能，所以在工业中得到相当广泛的使用，特别是在恶劣环境下，它比目前使用的电感式，电容式，光电式等接近开关具有更强的抗干扰能力。
鉴于霍尔接近开关的诸多优点，目前市面上出售的接近开关中，霍尔式接近开关就占有了相当大的比例，它生产要求简单并广泛应用于转速，位移，位置，速度等物理量的测量上，也基于此，国内许多大大小小的企业公司都在生产、出售各类霍尔式接近开关，竞争的确相当厉害。
我们知道我国很多大公司近几年在霍尔接近开关上的技术发展相当迅速，他们除在霍尔接近开关内部采用了厚膜混合集成电路工艺制作外，外形方面也不拘一格，采用槽形，贯穿形，平面形，其技术含金量越来越高。这些功能优势无疑使得霍尔接近开关的应用变的越来越广泛，自然可以在国内外市场的竞争中立于不败之地。
在实际生活中，我们接触最多的便是电器，而大多数的电器开关连接的是220V交流电源。普通的电器开关，在联通与断开时操作者都要直接触到电信号，这样我们就有触电的危险，为了克服普通开关的安全性低的缺点，同时也为了便于我们对于一些公共设施的管理及监管和市民的方便。
我们设计了一个能控制220V交流电的霍尔开关，它通过对磁信号的探测实现电路的通断，即通过投币来实现热水和其它液体饮料的供应，极大地提高城市的人性化，促进和谐社会的发展。
实验所需的器材：
霍尔传感器、555时基芯片、继电器、保险丝、三极管若干、电阻、二极管、发光二级管、电容、变压器，W7805。
方案设计及论证
在前面我们介绍了霍尔效应，霍尔接近开关的输入端是以磁感应强度B 来表征的，当B 值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器电平翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。而我们就可以利用霍尔传感器电平的翻转来实现控制电路的导通和断开，从而实现我们的目标，即控制单稳的触发，之后在控制继电器在一定时间内的导通与断开。
一个微小的磁场变化就可以引起霍尔开关的输出电平的翻转。我们就选择用遮挡霍尔元件磁路的通断来控制电路的通断。这样我们可以增加开关的可靠性和安全性的同时也有利于自动控制。
1、这步中我们主要是实现用一定的物体去挡住霍尔元件的磁路，从而实现霍尔元件的高低电平变化。
2、在这里我们主要是考虑到一个抗干扰的问题，防止前后级的信号交叉干扰，从而提高电路的抗干扰能力何在恶劣环境下的生存能力。
3、因为我们从霍尔元件中获得的信号是一个微弱的信号，我们需要把它放大到我们一般以期能够处理的标准信号，所以就必须把信号进行放大。但是在放大前我们必须要加一滤波器用来滤除不需要的杂波。
4、控制电路主要是通过555实现单稳电路从而实现了电路在一定时间内处于导通状态，然后控制继电器通断来达到供应饮料的目的。
5、整个电路当然还需要有电源供电，一般我们需要的是5—12V左右的直流电压，所以我们必须变压器变压，然后用整流桥将交流整成直流电源，之后为了减少信号的脉动系数，再外加一个稳压芯片。
实验原理图：
555构成的单稳模块：
电源部分：
原理图中的整流部分如上图（图8）所示，考虑到U1为220V，根据《模拟电子技术》中整流二极管的说明，我们可以得出Uo≥1.2U1
结合整流二极管参数表（表2）我们选用IN4001二极管。我们通过变压器将高电压变成我们所需要的电压，变压器的杂书必要达到一定的要求，同时我们通过二极管构成的桥路，将交流电压变成直流电压，即全波整流。图中的二极管取值要大一点好，这样就可以有效缓冲，从而使电压变化缓慢，从而减小了电压的脉动系数，但这还不够稳定，所以我们还在之后接了7805的稳压芯片，如图所示，从而使电压的稳定达到我们所需要的程度。
表2 二极管参数
霍尔传感器：
这样处理霍尔元件，可以使它实现过零比较器，起到电压放大的作用，同时实现单端输出的目的。同时也起到电气隔离的作用。
电路放大模块：
整个电路的放大倍数是A=10倍，主要是通过R2/R3的比例来实现电压放大倍数的，而R1主要是起到使输入电阻达到平衡。
整体电路如下：
整个电路的工作原理如下：
自动供水装置可实现凭票定量自动供水，用电磁水阀取水代传统手动水龙头，即安全，又卫生，适用于单位水房安装使用。它主要由磁传感装置，单稳态电路，固态继电器，电源电路及电磁阀等组成。平时，UGN3020受磁铁磁场的作用，其输出端处于低电平，LED1亮，三极管VT截止，由IC1组成单稳态电路处于复位状态。IC1的输出端3脚低电平内部将C2短路，LED2不发光。SSR因无控制电流而处于截止状态，电磁阀Y无电而关闭，水龙头不出水。当取水者将铁制水票(卡)投入专门的投票口时，铁制水票沿槽迅速下滑，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路。此时霍尔传感器输出高电平脉冲，IC1进入暂稳态。IC1引脚输出高电平，LED2发光，SSR导通，电磁阀Y得电放水。同时C2充电，当充电值大于2/3VDD时，电磁阀关闭，水龙头自动停止出水，电路恢复到常态。每次供水时间，即单稳态电路每次进入暂稳态的时间长短，可由公式T=1.1C2(R4+Rpo)来计算，调节RP阻值，可使T在3S~20S范围内变化。C1，C3为交流旁路电容，主要用于消除各种杂波干扰对单稳态电路造成的误触发，使整个控制电路性能稳定可靠。与霍尔传感器配合使用的小磁铁，可用一块约为10×10×15mm3的永久磁铁即可。
霍尔元件的开关特效分析：
A、静态分析
静态（开关断开）时，霍尔交流开关无磁场信号，开关处于断开状态。Rac无穷大，但实际上， Rac并不是无限大。Rac= Req 式中Req为桥整流内侧直流端等效电阻。霍尔元件它的线性度很好，在一定的范围内，电压与磁场呈现一定的比例关系，对我们制成任何线性元件都很容易。因为霍尔元件始终是一个半导体元件，所以温度对他的影响很大，即温漂很大，要想办法克服它的影响，我们所以就采取了桥路的形式来抵消温漂对它精度的影响。霍尔交流开关的静态漏电流和功率都很小，在回路中完全可以忽略不计。
B、动态分析
当霍尔交流开关感应到磁场时，开关应为短路状态，Uac应为零。但是， Uac并不为零。Uac= Ud + Ude，式中Ud为桥电路中两个二极管的正向导通电压，1V左右。
此时，STR处于导通状态，理论可视为短路，但是，实际上在STR的阴阳极两端仍然存在导通电压降，Ustr在0.6V左右。Ude= Ustr，Ude= Ustr=1+0.6=1.6V 。它对信号的响应速度比较快能够满足一般工业控制现场的要求，所以霍尔元件的适应性就特别强。生存能力和寿命都能达到很高。所以能减少我们的成本要求。
由此可见，霍尔交流开关的动态压降和动态功耗也很小，完全可以忽略不计。
霍尔开关特点
A、安全
因为全部元件都被树枝固化并封住在一个保护盒中，开关能动部分就只是一盒与磁铁相连的可动活塞。
B、可靠性强
开关与受控开并联，电压在50%范围内变化，开关仍可以正常工作再加上抗干扰外壳，可靠性、寿命、稳定性大大加强。