本帖最后由 wangjj19950516 于 2020-12-29 11:44 编辑
做工程的朋友大家应该很熟悉HALL传感器，但HALL传感器的原理是什么可能不是很清楚。这里给大家介绍一下。所用知识为高中物理知识，简单易懂。
一、HALL传感器原理
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种。
也可以将霍尔传感器理解成是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。霍尔传感器首先是使用于测量磁场，此外还可测量产生和影响磁场的物理量，例如被用于接近开关、霍尔、位置测量、转速测量和电流测量设备。下图是单个的HALL传感器，三个引脚分别为：电源，信号，地。
1.洛伦兹力：
洛伦兹力是运动电荷在磁场中受到的力。
洛伦兹力用左手定则判断：磁感线穿过手心，四指指向正电荷运动的方向，大拇指为正电荷所受洛伦兹力的方向。（三者互相垂直）
上图右图中，分别画出了不同带电粒子的受力情况。上面一种情况是正电荷，磁场穿过手心射向里面，正电荷运动方向向上，那么所受洛伦兹力的方向为向左。下面一种与上面的磁场方向、运动方向都相同，唯一的区别是粒子所带电荷极性不同。负电荷在用左手定则判断时，磁场穿过手心，四指指向负电荷运动方向相反的方向，因此，所受洛伦兹力的方向向右。
2.霍尔效应：
从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用引起的偏转。
霍尔效应：在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得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，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，在半导体两端形成稳定的电压。这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
需要注意的是：半导体中的载流子有两种，空穴和电子，空穴带正电，电子带负电，这是由半导体材料决定的。如上图所示，是两种不同载流子的半导体材料产生的霍尔效应，电流方向相同，但正负载流子的运动方向相反，正电荷运动方向与电流方向相同，负电荷的运动方向与电流方向相反。根据左手定则，磁场方向为从里向外，所受力均为向下方向。这时，一个是正电荷向下偏移，一个是负电荷向下偏移，所以导致二者产生的霍尔电压方向相反。
当半导体内电荷所受洛伦兹力与电场力达到平衡时，两侧堆积的电荷达到稳定，此时，可计算出霍尔电压的大小，上式中，电流是单位时间内流过半导体截面积的电荷量。最终可以得出：霍尔电压与磁场强度B成正比，与导体中流过的电流I成正比。
二、HALL传感器的功能及应用
1.判断导体中载流子的电荷极性
根据两侧面电势的高低关系判断导体中的载流子是正电荷还是负电荷。
2.测定磁感应大小——霍尔元件
在预加确定电流的情况下，利用霍尔电压U与磁感应强度 B成正比的关系，即可测定磁感应强度的大小。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，
3.测量电流
安培定则：电流调过一根长导线时，在导线周围将产生磁场，磁场大小与流过的电流大小成正比。
上图测量电流的示意图中，导线中流过电流，根据安培定则，会在导线周围产生磁场。产生的磁场调过磁芯聚集感应到霍尔器件上，霍尔器件根据磁场强度会产生一定的电压，经过放大后直接输出，反映导体中电流的大小。
4.HALL传感器分类
根据输出信号，可以将HALL传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器
线性型霍尔传感器输出电压与磁场强度成比例关系，霍尔电压进过放大后直接输出，为模拟量。
开关型霍尔传感器将输出的电压进过放大后，再经过一个施密特电路，输出的信息只有高低电平，为开关量。
三、HALL传感器在电机中的应用
作用：用于检测电机转子的位置，并反馈电机转速
上图模拟电机中的应用情况，将一块磁铁放置在旋转的圆盘上，安装一个HALL传感器。磁铁的磁场强度是固定的，霍尔传感器中通的电流也是固定的，但当圆盘转动时，磁场穿过HALL传感器会产生一个夹角，这样分解到作用方向的磁场就会减小，当转过90时，磁场方向与HALL方向平行，没有力产生。再继续旋转，穿过HALL传感器的磁场方向变化。输出的霍尔电压应该是按正弦波变化的。经过放大电路和施密特电路，最终输出的信号为高低电平交替变化的脉冲。一个转动周期中，HALL传感器的输出只变化一次，高低电平的持续时间分别为180°。这样就可以通过HALL信号判断磁铁的位置，判断范围是180°。
在三相无刷电机中，一般使用3个HALL传感器检测转子位置。有120°安装和60°安装。
120°安装，3个传感器相隔120°，输出的波形也是相隔120°，将3路信号组合可以得到6个状态，每个状态为60°。这种安装方式不会出现000和111两种组合，如果检测到有这两种状态出现，一般为HALL传感器损坏或接线故障。
60°安装，3个传感器相隔60°，同样的，输出波形也是相隔60°，6种组合状态中不会出现010和101两种组合。
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