霍尔效应磁传感器基础(上)

欢迎来到 TI 在线培训

在这个视频中我将向您介绍

霍尔传感器的基础知识

首先让我们来看一下什么是霍尔效应

简单的说

当电流流过导体

而此时恰巧存在一个外部磁场

那么在对应磁场的垂直正交方向上

就会产生一个电压

在这张示意图中电流从左向右流

也就是说导体中的电子

是从右向左移动

如图中的虚线所示

图中的黄色带有大写字母 B 的箭头

代表了一个外部磁场

而这个磁场与导体恰好处于垂直正交方向

霍尔效应就此发生了

这个磁场将一种力作用在运动的电子上

推动它们向导体的一侧流动

这种力被称为洛伦磁力

于是在导体的底部就形成了电子的集聚

而产生如图中蓝色字母 V 所标示的电压

如果磁场强度增强

更多的电子将集聚在导体底部

从而产生更高的电压

这里始终存在一个洛伦磁力和静电力的平衡

并且这个产生的电压

我们称之为霍尔电压

它与导体中的电流大小成直接正比关系

那么我们可以如何来利用这个霍尔效应呢

让我们来看一个磁体

所有的磁体都有两个极，北极和南极

它会产生一个如图中所示的磁场

一个最直接的应用就是将磁体

贴附在移动的物体上

并通过产生的霍尔电压来感知物体的移动

让我们来一起看一些使用了

霍尔传感器的终端产品

首先是直流无刷电机

这些电机的转子包含永磁体

要使控制电路能够在准确的时间点上

将相邻的线圈通电

从而推动电机转动

我们就必须准确知道这些永磁体的位置

三相有传感器直流无刷电机

使用三个霍尔传感器来告知控制器

在什么时间点上切换通电线圈

在电机中还有一种霍尔传感器的应用

如果在推杆或者驱动齿轮上装一个磁体

可以使用一个接近式的霍尔传感器

来检测速度或者移动的方向

在笔记本电脑、平板电脑和手机里

霍尔传感器常被用来检测盖子是否和上

在屏幕边上安装了一个非常小的磁体

将霍尔传感器集成在键盘的附近

盖子合上时两者互相靠近

霍尔传感器的数字输出信号改变

告知处理器来关闭屏幕显示

或者进入休眠模式

在工业阀门里

霍尔传感器有多种应用方式

它们可以被用来给

开关阀门的直流无刷电机提供换向信号

它们可以感知阀门的物理位置

如果磁体被安装在叶轮上

或者其它随着流体

流动而转动的机构上

它们甚至可以被用来检测流体的流量

电子锁经常会使用霍尔传感器

来测量推动门闩的电机

它一般会使用直流有刷电机

转动一定的圈数

来推动门闩运动指定的距离

而霍尔传感器可以被用来检测转动的圈数

并告知控制器何时停止电机转动

多功能打印机中也经常使用霍尔传感器

它们可以被用来检测是不是有舱门被打开

或者被用作一种重量检测器

安装在纸盒边来检测质量是否太低

它们也经常被用来

向做径直动作的直流无刷电机

提供换向信号

电表很容易受到干扰

有一种偷电的方法就是在电表上

放一个强磁体或者强的电磁铁

从而使变压器过载而使得电表不再计费

因此通常会在电表中安装霍尔传感器

来检测不正常的磁场

工厂自动化应用中大量使用霍尔传感器

在机器人的机械工作中

霍尔传感器高效且无需接触的检测其运动

提供限位信号

在机械臂的摆动中

磁角度传感器可以将精确的角度信号编码输出

在传送带上霍尔传感器提供闭环的速度信号

与打印机类似

咖啡机也使用直流无刷电机

也需要检测舱门是否被打开

通过在水位线上放置一个小的可移动的磁体

霍尔传感器也可以被用来检测水的注入量

充气的、充水的医疗器械

可以使用霍尔传感器来检测流量

烟雾传感器

经常使用霍尔传感器来激活自诊断

或在保护状态时进入测试模式

像这样前端极其简化的系统

通常没有用于维护目的的实体按键

所以

使用磁体和霍尔传感器提供了一种

非接触式的简单方式来进入纠错模式

这个蓝色的四个 pin 脚的器件

可以检测插在

其中孔中的线缆上的电流

这个环是由铁氧体材料制成

它将电流产生的磁通

导向安装在里面的霍尔传感器

请注意这里的一个关键点

恒定磁场、大电流是霍尔传感器

能够探知磁场的两个基本来源

游戏手柄经常使用线性霍尔传感器

它提供大量信息

包括手柄的位置和加速度

对于操纵杆最好是使用能够在三个方向上

独立感知磁场的霍尔传感器

因为这些感知都是非接触式的

所以不会影响使用者的手感

最后赛车

一辆汽车可以使用多达80个霍尔传感器

它们可以被用来检测轮子的转速

这对于 ABS 系统还有牵引力控制都至关重要

它们可以被用来检测方向盘的转动角度

在先进的汽车上使用的刹车、油门踏板

都不在于它们控制的系统

存在直接机械连接

取而代之的是它们的位置

被电子系统感知并传递给控制器

甚至后备箱的锁扣、保险带

也常常是使用霍尔传感器的

总之霍尔传感器被用在各种场合

用于各种用途

每年全球生产和销售数十亿的霍尔传感器

接下来让我们来聊聊磁体

首先让我们来说一下单位

磁通量

指的是通过某给定曲面的磁场

例如在图中绿色的区域内

就有一定量的磁场穿过

磁通量的国际单位是韦伯

也经常使用麦克斯韦

对霍尔传感器而言相较于磁通量

磁通密度更为重要

磁通密度在磁体表面附近最大

磁通密度的国际单位是特斯拉

也经常使用高斯

我们通常用毫特斯拉来表示这里涉及的量

10高斯等于1毫特斯拉

现在你应该已经知道三个主要的概念

首先

磁通密度在磁体表面附近最大

并随距离的增大而减小

第二，在给定的距离上

物理体积大的磁体将投射更大的磁通密度

也可以说

大磁体的衰减率小于小磁体的衰减率

第三

不同的磁体材料产生不同的磁通密度

它们具有不同的温度变化量

并且具有不同的磁稳定性

这意味着有些材料比其它材料更容易去磁

永磁体是通过向铁磁材料

施加强磁场而产生的

三种最常见的铁磁性元素是铁、镍和钴

市场上最常见的永磁材料是铝铁硼

铁氧体、铝镍钴和钐钴

铝具有最高的磁通密度和对去磁的弹性

铁氧体便宜但它们磁性较弱

铝镍钴因为具有优良的温度一致性

而被广泛使用

钐钴最类似于铝

但它具有更好的温度一致性

并支持更高的温度

随着温度的升高

所有这些材料产生的磁通密度都会降低

在本页上

我们标注了每种材料的近似偏移

如果温度过高

这所有的磁体都将在某个点消磁

确定给定磁体在给定距离处

产生的磁通密度是有难度的

如果这个信息不是由磁体供应商处提供

则可以用几种其它的方法来确定

一个是模拟

虽然磁场是一个三维向量场的问题

但还是有一些免费而且简单的模拟器

可以快速给你合理的结果

在这里我列出了几种

包括在网站上的 K&J magnetics

这是一个一维的模拟器

另一个免费模拟器称为 FEMM

它是二维的

后面两种是三维的

第三种方法是测量磁通密度

有称为高斯计或者特斯拉计的手持式仪器

提供磁通密度的测量读数

另一种测量方法是使用线性霍尔传感器

用它来替换系统中原有的霍尔传感器

这种霍尔传感器输出

与磁通密度成比例的模拟电压

为了给你一些关于

这里涉及的磁通密度量的直观感受

让我们来看幻灯片上所显示的磁体

它大概长1.5厘米、直径1厘米

在与其轴线成一厘米的距离处

将存在 60 毫特斯拉的磁通密度

3 厘米远处下降为大约5毫特斯拉

相比之下

地球的磁场约为 0.05 毫特斯拉

弱100倍

大多数磁体的表面上的磁场

都是几百个毫特斯拉

欢迎来到 TI 在线培训

在这个视频中我将向您介绍

霍尔传感器的基础知识

首先让我们来看一下什么是霍尔效应

简单的说

当电流流过导体

而此时恰巧存在一个外部磁场

那么在对应磁场的垂直正交方向上

就会产生一个电压

在这张示意图中电流从左向右流

也就是说导体中的电子

是从右向左移动

如图中的虚线所示

图中的黄色带有大写字母 B 的箭头

代表了一个外部磁场

而这个磁场与导体恰好处于垂直正交方向

霍尔效应就此发生了

这个磁场将一种力作用在运动的电子上

推动它们向导体的一侧流动

这种力被称为洛伦磁力

于是在导体的底部就形成了电子的集聚

而产生如图中蓝色字母 V 所标示的电压

如果磁场强度增强

更多的电子将集聚在导体底部

从而产生更高的电压

这里始终存在一个洛伦磁力和静电力的平衡

并且这个产生的电压

我们称之为霍尔电压

它与导体中的电流大小成直接正比关系

那么我们可以如何来利用这个霍尔效应呢

让我们来看一个磁体

所有的磁体都有两个极，北极和南极

它会产生一个如图中所示的磁场

一个最直接的应用就是将磁体

贴附在移动的物体上

并通过产生的霍尔电压来感知物体的移动

让我们来一起看一些使用了

霍尔传感器的终端产品

首先是直流无刷电机

这些电机的转子包含永磁体

要使控制电路能够在准确的时间点上

将相邻的线圈通电

从而推动电机转动

我们就必须准确知道这些永磁体的位置

三相有传感器直流无刷电机

使用三个霍尔传感器来告知控制器

在什么时间点上切换通电线圈

在电机中还有一种霍尔传感器的应用

如果在推杆或者驱动齿轮上装一个磁体

可以使用一个接近式的霍尔传感器

来检测速度或者移动的方向

在笔记本电脑、平板电脑和手机里

霍尔传感器常被用来检测盖子是否和上

在屏幕边上安装了一个非常小的磁体

将霍尔传感器集成在键盘的附近

盖子合上时两者互相靠近

霍尔传感器的数字输出信号改变

告知处理器来关闭屏幕显示

或者进入休眠模式

在工业阀门里

霍尔传感器有多种应用方式

它们可以被用来给

开关阀门的直流无刷电机提供换向信号

它们可以感知阀门的物理位置

如果磁体被安装在叶轮上

或者其它随着流体

流动而转动的机构上

它们甚至可以被用来检测流体的流量

电子锁经常会使用霍尔传感器

来测量推动门闩的电机

它一般会使用直流有刷电机

转动一定的圈数

来推动门闩运动指定的距离

而霍尔传感器可以被用来检测转动的圈数

并告知控制器何时停止电机转动

多功能打印机中也经常使用霍尔传感器

它们可以被用来检测是不是有舱门被打开

或者被用作一种重量检测器

安装在纸盒边来检测质量是否太低

它们也经常被用来

向做径直动作的直流无刷电机

提供换向信号

电表很容易受到干扰

有一种偷电的方法就是在电表上

放一个强磁体或者强的电磁铁

从而使变压器过载而使得电表不再计费

因此通常会在电表中安装霍尔传感器

来检测不正常的磁场

工厂自动化应用中大量使用霍尔传感器

在机器人的机械工作中

霍尔传感器高效且无需接触的检测其运动

提供限位信号

在机械臂的摆动中

磁角度传感器可以将精确的角度信号编码输出

在传送带上霍尔传感器提供闭环的速度信号

与打印机类似

咖啡机也使用直流无刷电机

也需要检测舱门是否被打开

通过在水位线上放置一个小的可移动的磁体

霍尔传感器也可以被用来检测水的注入量

充气的、充水的医疗器械

可以使用霍尔传感器来检测流量

烟雾传感器

经常使用霍尔传感器来激活自诊断

或在保护状态时进入测试模式

像这样前端极其简化的系统

通常没有用于维护目的的实体按键

所以

使用磁体和霍尔传感器提供了一种

非接触式的简单方式来进入纠错模式

这个蓝色的四个 pin 脚的器件

可以检测插在

其中孔中的线缆上的电流

这个环是由铁氧体材料制成

它将电流产生的磁通

导向安装在里面的霍尔传感器

请注意这里的一个关键点

恒定磁场、大电流是霍尔传感器

能够探知磁场的两个基本来源

游戏手柄经常使用线性霍尔传感器

它提供大量信息

包括手柄的位置和加速度

对于操纵杆最好是使用能够在三个方向上

独立感知磁场的霍尔传感器

因为这些感知都是非接触式的

所以不会影响使用者的手感

最后赛车

一辆汽车可以使用多达80个霍尔传感器

它们可以被用来检测轮子的转速

这对于 ABS 系统还有牵引力控制都至关重要

它们可以被用来检测方向盘的转动角度

在先进的汽车上使用的刹车、油门踏板

都不在于它们控制的系统

存在直接机械连接

取而代之的是它们的位置

被电子系统感知并传递给控制器

甚至后备箱的锁扣、保险带

也常常是使用霍尔传感器的

总之霍尔传感器被用在各种场合

用于各种用途

每年全球生产和销售数十亿的霍尔传感器

接下来让我们来聊聊磁体

首先让我们来说一下单位

磁通量

指的是通过某给定曲面的磁场

例如在图中绿色的区域内

就有一定量的磁场穿过

磁通量的国际单位是韦伯

也经常使用麦克斯韦

对霍尔传感器而言相较于磁通量

磁通密度更为重要

磁通密度在磁体表面附近最大

磁通密度的国际单位是特斯拉

也经常使用高斯

我们通常用毫特斯拉来表示这里涉及的量

10高斯等于1毫特斯拉

现在你应该已经知道三个主要的概念

首先

磁通密度在磁体表面附近最大

并随距离的增大而减小

第二，在给定的距离上

物理体积大的磁体将投射更大的磁通密度

也可以说

大磁体的衰减率小于小磁体的衰减率

第三

不同的磁体材料产生不同的磁通密度

它们具有不同的温度变化量

并且具有不同的磁稳定性

这意味着有些材料比其它材料更容易去磁

永磁体是通过向铁磁材料

施加强磁场而产生的

三种最常见的铁磁性元素是铁、镍和钴

市场上最常见的永磁材料是铝铁硼

铁氧体、铝镍钴和钐钴

铝具有最高的磁通密度和对去磁的弹性

铁氧体便宜但它们磁性较弱

铝镍钴因为具有优良的温度一致性

而被广泛使用

钐钴最类似于铝

但它具有更好的温度一致性

并支持更高的温度

随着温度的升高

所有这些材料产生的磁通密度都会降低

在本页上

我们标注了每种材料的近似偏移

如果温度过高

这所有的磁体都将在某个点消磁

确定给定磁体在给定距离处

产生的磁通密度是有难度的

如果这个信息不是由磁体供应商处提供

则可以用几种其它的方法来确定

一个是模拟

虽然磁场是一个三维向量场的问题

但还是有一些免费而且简单的模拟器

可以快速给你合理的结果

在这里我列出了几种

包括在网站上的 K&J magnetics

这是一个一维的模拟器

另一个免费模拟器称为 FEMM

它是二维的

后面两种是三维的

第三种方法是测量磁通密度

有称为高斯计或者特斯拉计的手持式仪器

提供磁通密度的测量读数

另一种测量方法是使用线性霍尔传感器

用它来替换系统中原有的霍尔传感器

这种霍尔传感器输出

与磁通密度成比例的模拟电压

为了给你一些关于

这里涉及的磁通密度量的直观感受

让我们来看幻灯片上所显示的磁体

它大概长1.5厘米、直径1厘米

在与其轴线成一厘米的距离处

将存在 60 毫特斯拉的磁通密度

3 厘米远处下降为大约5毫特斯拉

相比之下

地球的磁场约为 0.05 毫特斯拉

弱100倍

大多数磁体的表面上的磁场

都是几百个毫特斯拉