霍尔效应及其在传感器中的应用
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小编最早接触使用霍尔器件是在20多年前了。那是在老师们的带领下，做一个自动导向车（AGV）的项目，其中要用到霍尔传感器是作为路标的功能。实际上在当前的各个领域中，霍尔效应具有重要地位。在本文中，我们将详细解释霍尔效应的推导过程和公式，并深入探讨如何利用霍尔效应输出的各种传感器及其应用。
1. 霍尔效应的发现与原理
霍尔效应是美国科学家埃德温·赫伯特·霍尔于1879年在做磁电效应实验时发现的，其基本原理是：当一个扁平导体被电流通过时，如果再垂直于电流与导体板面施加一个磁场B，就会在导体板的上下两面（垂直于电流和磁场）产生一个电压，这就是霍尔电压U_H，这个现象被称为霍尔效应。
图-1
根据单电子的准经典动力学方程，在电场和磁场的共同作用下,有方程（1）[1]：
其中：
是载流子的动量
；
是电子运动的弛豫时间；
是电子所在的电场；
是静态电子质量；
是电子所在的磁场强度。
在半导体或金属中，当载流子受到一个电场或磁场的驱动，它会加速运动。然而，当电子与周围的原子、杂质等发生相互作用（被称为散射）时，它的运动状态会被改变。例如，它的速度可能会减小，方向可能会改变。弛豫时间
就是描述电子从被扰动到散射后再回到稳定运动状态所需要的平均时间,它在电子的运动方程中体现了阻尼的效应,可以决定材料的许多电性能，如电阻率、电导率、迁移率等。在电子设备的设计和工作原理分析中，弛豫时间的计算和控制都起着重要的作用。
由于施加的磁场
是垂直于x，y平面，不同的载流子（自由电子，空穴等）的运动方程需要根据载流子的电荷特性调整符号。如果是自由电子，可以分解为以下方程组：
这里加几个名称和定义：
- 回旋频率：
，这是载流子在磁场中垂直于磁场运动时的转角频率，和速度无关； - 电流密度：
，其中n是单位体积载流子数量，e为单个载流子电量，
是载流子（这里是电子，所以加负号）平均速度； 
, σ是电导率，ρ是电阻率。
这个时候，我们需要再加入一点情景设定了：
在图-1中，由于磁场中运动的自由电子在洛伦磁力的作用下发生偏转并且在一个端面上累积，而与之相对的面上引起相反电特性的过剩，从而在图-1中的y轴向的前后两端间建立了一个电场
,当载流子的平均速度
稳定的时候，即载流子受到的洛伦磁力和y轴向的电场力平衡时，我们可以得到：
通过
可以得到：
在（3）两边同时乘以
得：
如果令
，可以进一步化简（4）得到：
前面的平衡设定要再次启用。此时y轴方向上是不存在电流的，即此时
,所以有：
在其中再定义一个物理量，称为霍尔系数：
其中，n为载流子浓度，Rh的物理量纲是：立方米/库伦（
）。那么从（6）中可得：
式(8)中可以理解为在y轴方向，载流子受到一个和磁场B及x轴向的电流密度
成正比的电场力。假设这个电场（
）为均匀电场，那么还可以进一步推出理想情况下的霍尔电压U_H：
式（9）中，我们可以看到霍尔电压
和所在的垂直磁场B成正比，而驱动电流
从式（6）中可以看到，理想情况下，并不受磁场影响，那么在
和其它参数为常数的情况下，就可以构成一个
的对应关系。
2. 霍尔效应到电流检测
这部分的内容我们也是耳熟能详了。电流形成的磁场大小经常使用安培环路定理来计算。在理想情况下，导线上每单位电流的磁场B由以下公式给出：
其中：
- B是磁场强度，单位是特斯拉（T）；
- μ0是真空的磁导率，其值约为4π × 10^-7 T m/A；
- I是电流，单位是安培（A）；
- r是观察点到电流的直线距离，单位是米（m）。
图-2 安倍环路模拟（下载模拟代码）
值得注意的是上述公式对应的是直线导线。在实际应用中，其他影响因素可能使磁场强度的计算结果不准确，比如导线的形状（如圆形回路、螺线管等）和大小、环境的磁性特性等因素，形成磁场的规律和公式会有所不同。
有了式（10）中的磁场B和电流I之间的关系，再加上式（9）的磁场B和霍尔器件的输出电压
对应关系，我们就建立的霍尔传感器的输出电压信号
和导体中被测电流I的关系。
在我们一款霍尔电流传感器的测量参数中，有以下一个产品灵敏度和电流检测范围的表格：
很显然，这款产品系列都可以适用于交直流电流的。
同样这款产品系列中，其频率带宽为70KHz~250KHz，我们可以认为工作频率范围是0~70KHz，或者根据不同型号是0~250KHz，以及响应时间：3μs(max)。这组参数告诉我们，对于电机控制中的电枢驱动电流的响应检测将是游刃有余。
图-3
霍尔电流传感器的频率带宽通常指的是该传感器可以准确测量的电流信号频率范围。在这个范围内，传感器的输出信号可以准确地反映输入电流信号的变化。不在此范围内的频率可能会被滤掉或者度量不准。对于最低响应频率，0Hz对应的就是电流信号。但请注意，每款霍尔电流传感器的性能参数可能会有所不同，包括频率响应的范围和精度等。具体的参数应该参考每款产品的规格书或数据手册。
3. 基于霍尔效应的位置传感器
基于霍尔效应的角度传感器主要是通过检测磁场方向的变化来测量旋转角度。
工作原理如下：
- 传感器中的磁性元件（通常是磁铁）被固定在旋转轴上，会随着旋转轴的转动而转动，从而改变磁场的方向；
- 霍尔元件固定在旋转轴旁边的固定位置，能感应到磁铁改变磁场方向带来的磁场的变化；
- 根据霍尔效应，磁场的变化可以转化为霍尔元件上垂直于电流和磁场方向的电压变化。这个电压变化可以用来表示磁场，从而表示旋转轴的旋转角度。
其中，霍尔电压V与磁场B的关系由霍尔效应公式给出： V = RH * I * B
在该公式中：
- V 是霍尔电压，
- RH 是霍尔系数，是霍尔元件的材料属性，
- I 是流经霍尔元件的电流，
- B 是磁场强度。
因此，我们可以通过测量霍尔电压V，得到反映旋转角度的磁场变化。
然而，实际应用中，由于各种因素（比如温度、电源电压等）的影响，单个霍尔元件测量的结果可能会有偏差。通常通过使用多个霍尔元件并进行适当的信号处理，比如差分测量、椭圆补偿等，可以准确测量角度，并抵消环境和设备的干扰。
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安费诺旗下的Piher Sensing Systems研发，或定制提供各种类型的位置传感器，总有一款适合您的应用。
4. 基于霍尔效应的齿轮旋转速度和方向传感器
前面的两类霍尔效应传感器是基于霍尔效应的模拟信号的应用，而这种产品则是将磁体和通过轮齿之间气隙中的磁通量变化而检测到的电压信号与阈值转换为高低电平（0/1）信号，信号处理端根据0、1变化的快慢得到转速；另外结合不同组的霍尔元件检测到的输出信号的相位差异获取转向。如下图所示。
如果第一个霍尔元件和第二个元件之间的输出信号相位相差90°，可以定义在第一个霍尔元件测速，组合第二个测转向。第一个输出的上升沿检测第二个元件为高电平时作为逆时针；第一个输出上升沿检测到第二个元件输出为低电平时为顺时针。
这类产品适用于在车辆变速器等苛刻环境中精确计算铁质齿轮的速度和方向。
霍尔效应的应用
霍尔效应传感器是一种能感测磁场强度的传感器，其运作原理基于霍尔效应。该类传感器有多种类型，包括：
- 线性霍尔传感器：这种传感器产生一个与磁场强度线性相关的电压输出。
- 开关式霍尔传感器：在磁场超过特定阈值时，这种传感器的开关会关闭或打开。它们主要用作磁场检测器。
- 霍尔效应电流传感器：这类传感器被用来测量电流大小，原理是通过电流产生的磁场进而得到电流的大小。
- 霍尔旋转角度传感器：基于磁场方向变化测量旋转角度。
Piher，这是Amphenol Sensors旗下的知名品牌，专注于定制设计和制造创新的、高品质的传感器解决方案，包含了各种类别的霍尔效应传感器。具体类型和型号可以参照Piher公司的产品目录或者联系公司获取更详细的产品信息。许多Piher的霍尔效应传感器用于汽车、家用电器和工业控制等应用中。
霍尔电流传感器的特点和优点：
- 特点
- 无接触测量：霍尔电流传感器通过测量磁场来间接测量电流，无需直接接触电流所在的电路，从而能在不影响待测电路的情况下实现电流检测。
- 双向测量：一般的霍尔电流传感器可以测量正向和反向电流，即交直流两用。
- 广泛的频率响应：霍尔电流传感器不仅能测量直流电流，同时也能测量交流电流，由于其无接触特性和响应速度，所以能测量频率覆盖从直流到高频的电流。
- 输出为电压信号，容易处理。
- 优点
- 高精度：因为霍尔效应测量是一种非接触式测量，所以能够防止传感器本身对电路的影响，提高测量精确度。
- 良好的线性度：在大范围的电流内，霍尔电流传感器基本可以保持良好的线性响应。
- 宽带响应：霍尔电流传感器可以响应从直流到高频的变化，频率范围宽，测量速度快。
- 高隔离电压：由于无接触的特点，霍尔传感器可以承受高隔离电压，从而保证电路的安全性。
- 能测量直流和交流：霍尔传感器可以同时测量直流和交流电流，非常适合于需要在同一电路中测量不同类型电流的应用。
正是由于上述优点和特点，霍尔电流传感器在很多领域得到了广泛的应用，比如：电源设备电流监测、电动机控制、电动汽车电池管理系统等。
后记
其实在霍尔效应原理这一节中，通常也会用更加简化及理想化的自由电子在磁场和电场受力的设定条件下进行推导，但是这种方式是以结果为导向来推导参数间的关系，无法看到在霍尔效应中多个参数之间的相互作用、或者相互影响。
另一方面，即使我们使用了前面的经典的电子动力学方程，它的结果也是有条件地成立的，大家可以另外查看一些专业书本或文章[1]进行参考。
在我们网站上相关的文档：
[1] 《固体物理导论》，C.基泰尔，化学工业出版社，项金钟，吴兴惠 译
