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一文读懂磁传感器

导读: 我们伟大中华祖先的四大发明之一——指南针,可谓是无人不知啊,对于现代传感器技术来讲,它可算得上是磁传感器的鼻祖了。

我们伟大中华祖先的四大发明之一——指南针,可谓是无人不知啊,对于现代传感器技术来讲,它可算得上是磁传感器的鼻祖了。

而在当今的电子时代,磁传感器在电机、电力电子技术、汽车工业、工业自动控制、机器人、办公自动化、家用电器及各种安全系统等方面都有着广泛的应用。

磁传感器

磁传感器是一种把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能变化转换成电信号,以这种方式来检测相应物理量的器件。用于感测速度、运动和方向,应用领域包括汽车、无线和消费电子、军事、能源、医疗和数据处理等。

磁传感器市场按照技术进步的发展,主要分为四大类:

霍尔效应(Hall Effect)传感器、

各向异性磁阻(AMR)传感器、

巨磁阻(GMR)传感器

隧道磁阻(TMR)传感器

其中,霍尔效应传感器的历史最悠久,获得广泛应用。随着持续的技术研发,各种磁传感器诞生,并拥有更优异的性能、更高的可靠性。

霍尔效应(Hall Effect)传感器

1879年,美国物理学家霍尔在研究金属导电机制时发现了霍尔效应。但因金属的霍尔效应很弱而一直没有实际应用案例,直到发现半导体的霍尔效应比金属强很多,利用这种现象才制作了霍尔元件。

在半导体薄膜两端通以控制电流 I,并在薄膜的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集,在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场,电场强度与洛伦兹力产生平衡之后,不再聚集,这个现象叫做霍尔效应。在垂直于电流和磁场的方向上,将产生的内建电势差,称为霍尔电压U。

霍尔电压U与半导体薄膜厚度d,电场B和电流I的关系为U=k(IB/d)。这里k为霍尔系数,与半导体磁性材料有关。

一文读懂磁传感器

霍尔效应示意图

霍尔传感器利用霍尔效应的原理制作,主要有霍尔线性传感器、霍尔开关和磁力计三种。

1. 线性型霍尔传感器

由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。输出电压与外加磁场强度呈线性关系,如下图所示,在B1~B2的磁感应强度范围内有较好的线性度,磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

一文读懂磁传感器

线性型霍尔传感器工作原理

霍尔线性器件拥有很宽的磁场量测范围,并能识别磁极。其应用领域有电力机车、地下铁道、无轨电车、铁路等,还可用于变频器中用于监控电量、光伏直流柜监测光伏汇流箱实时输出电流的作用、电动机保护等。 线性霍尔传感器还可以用于测量位置和位移,霍尔传感器可用于液位探测、水流探测等。

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