磁敏传感器是将磁场信息转换成各种有用信号的装置。磁敏传感器的应用日益扩大，地位越来越重要，按其结构主要分为体型和结型两大类。前者的代表有霍尔传感器，后者的代表有磁敏二极管、磁敏晶体管等。他们都是利用半导体材料内部的载流子随磁场改变运动方向这一特性而制成的一种磁传感器。另外还有利用电磁感应原理制成的磁电式传感器。

8.1霍尔式传感器

8.1.1霍尔效应

      置于磁场中的静止载流导体或半导体，当它的电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电动势称霍尔电势，载流导体（多为半导体）称霍尔元件。霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。

如图在与磁场垂直的半导体薄片上通电流I，假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转（如虚线箭头方向），并使改侧形成电子积累。而另一侧形成正电荷积累，元件的横向形成电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。

设霍尔片的长度为L，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力

又因为

当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。

8.1.2霍尔元件的结构

器件电流(控制电流或输入电流)：流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或霍尔电极、输出端。若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍尔端子间的电阻，称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。

8.1.3霍尔元件的特性

1、UH－I特性

当磁场(B)恒定时，在一定温度下，测定控制电流I与霍尔电势UH，可得到良好的线性关系。

2、UH－B特性

当控制电流I保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈现线性关系，而有非线性偏离。

3、误差分析及补偿方法

1）元件几何尺寸及电极焊点大小对性能的影响；

2）不等位电势U0及其补偿

8.1.4霍尔传感器分类

　　霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

　　（一）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。

　　（二）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。

　　线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。

8.1.5霍尔传感器应用实例

　　1.霍尔传感器技术应用于汽车工业

　　霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式传感器三种形式。

　　霍尔传感器可以采用金属和半导体等制成，效应质量的改变取决于导体的材料，材料会直接影响流过传感器的正离子和电子。制造霍尔元件时，汽车工业通常使用三种半导体材料，即砷化镓、锑化铟以及砷化铟。最常用的半导体材料当属砷化铟。

霍尔传感器的形式决定了放大电路的不同，其输出要适应所控制的装置。这个输出可能是模拟式，如加速位置传感器或节气门位置传感器，也可能是数字式。如曲轴或凸轮轴位置传感器。

　　当霍尔元件用于模拟式传感器时，这个传感器可以用于空调系统中的温度表或动力控制系统中的节气门位置传感器。霍尔元件与微分放大器连接，放大器与NPN晶体管连接。磁铁固定在旋转轴上，轴在旋转时，霍尔元件上的磁场加强。其产生的霍尔电压与磁场强度成比例。

　　当霍尔元件用于数字信号时，例如曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器或车速传感器，必须首先改变电路。霍尔元件与微分放大器连接，微分放大器与施密特触发器连接。在这种配置中。传感器输出一个开或关的信号。在多数汽车电路中，霍尔传感器是电流吸收器或者使信号电路接地。要完成这项工作，需要一个NPN晶体管与施密特触发器的输出连接。磁场穿过霍尔元件，一个触发器轮上的叶片在磁场和霍尔元件之间通过。

2.霍尔传感器应用于出租车计价器

　　霍尔传感器在出租车计价器上的应用：通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号，送到单片机，经处理计算，送给显示单元，这样便完成了里程计算。检测原理，P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断0，车轮每转一圈（设车轮的周长是1 m），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，对脉冲计数，当计数达到1 000次时，也就是1 km，单片机就控制将金额自动增加。每当霍尔传感器输出一个低电平信号就使单片机中断一次，当里程计数器对里程脉冲计满1 000次时，就有程序将当前总额累加，使微机进入里程计数中断服务程序中。在该程序中，需要完成当前行驶里程数和总额的累加操作，并将结果存入里程和总额寄存器中。

3.霍尔电流传感器在变频器中的应用

　　在有电流流过的导线周围会感生出磁场，再用霍尔器件检测由电流感生的磁场，即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，并且可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。

　　在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。

　　霍尔电流传感器按其工作模式可分为直接测量式和零磁通式，在变频器中由于需要精准的控制及计算，因此选用了零磁通方式。将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件IoN1=IsN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立：

　　Io=Is（N2/N1）

　　式中，Io为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1为初级绕组的匝数，Is为补偿绕组中的电流，N2为补偿绕组的匝数。由上式可知，达到磁平衡时，即可由Is及匝数比N2/N1得到Io。

　　霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，检测电路与被检电路互不影响。

4、检测磁场

　　用霍尔线性器件作探头，测量10－6T～10T的交变和恒定磁场，已有许多商品仪器。这里，仅介绍一种用经过校准的UGN3503或A3515型霍尔线性电路来检测磁场的磁感应强度的简便方法。电路出厂时，工厂可提供每块电路的校准曲线和灵敏度系数。测量时，将电路第一脚（面对标志面从左到右数）接电源，第二脚接地，第三脚接高输入阻抗（》10kΩ）电压表，通电后，将电路放入被测磁场中，让磁力线垂直于电路表面，读出电压表的数值，即可从校准曲线上查得相应的磁感应强度值。使用前，将器件通电一分钟，使之达到稳定。

　　用灵敏度系数计算被测磁场的B值时，可用

　　B=［Vout（B）－Vout（o）］1000/S

　　式中，Vout（B）=加上被测磁场时的电压读数，单位为V，Vout（o）=未加被测磁场时的电压读数，单位为V，S=灵敏度系数，单位为mV/G（高斯），B=被测磁场的磁感应强度，单位为G。

5、检测铁磁物体

　　在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图11所示。图11（a）表示检测铁磁物体的缺口，图11（b）表示检测齿轮的齿。它们的电路接法见图12，（a）为检测齿轮，（b）为检测缺口。用这种方法可以检测齿轮的转速。

　　

6、用在直流无刷电机中

　　直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。其工作原理示于图13。

　　在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍尔器件又起定子电流的换向作用。

　　无刷电机中的霍尔器件，既可使用霍尔元件，也可使用霍尔开关电路。使用霍尔元件时，一般要外接放大电路，如图14所示，使用霍尔开关电路，可直接驱动电机绕组，使线路大为简化，如图15所示。

　　

　　

　　

　　铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等），图16示出两种用于无损探伤的探头结构。（b）检测线材用

　　

7、磁记录信息读出

　　用霍尔元件制成的磁读头，如图17所示，将写头和读头装在同一外壳里，采用长1mm，宽0.2mm，厚1.4μm的InSb霍尔元件，其信噪比比普通磁头高3db～5db，由于写头和读头间的间距很小，仅2.6mm，故可用一读头去监视几分之一秒之前录头录下的信息。

　　

　　霍尔读头的输出仅由记录信息的磁感应强度来决定，即使频率到零，输出仍然恒定，且因读头无电感，故可获得优异的瞬态响应。它的灵敏度随温度的变化也很小，约为0.01db/℃。采用适当的前置放大电路，可在0℃～50℃范围内保持±0.5db。

　　由于霍尔磁读头具备这些优点，因而在计算机中得到很重要的应用。特别在高密度垂直记录的磁盘的信息读出中，更能显示其优越性。专家预言，今后十年，霍尔读头很可能会占去磁阻头的部分市场。

8、霍尔接近传感器和接近开关

　　在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图18所示的接近传感器。它们的功能框见图19。（a）为霍尔线性接近传感器，（b）为霍尔接近开关。

　　

　　

　　霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。

　　霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。3.2.7霍尔翼片开关霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。

　　

　　

　　翼片未进入工作气隙时，霍尔开关电路处于导通态。翼片进入后，遮断磁力线，使开关变成截止态，它的状态转变的位置非常精确，在125℃的温度范围内位置重复精度可达50nm。将齿轮形翼片和轴相连，用在汽车点火器中作为点火开关，可得到准确的点火时间，使汽缸中的汽油充分燃烧，既可节约燃料，又能降低车辆排放的尾气的污染，已在桑塔那，克莱斯勒等许多名车中使用。将它们用在工业自动控制系统中，可作为转速传感器、位置开关、限位开关、轴编码器、码盘扫描器等。

9、霍尔齿轮传感器

　　用2.2.2.3中介绍的差动霍尔电路制成的霍尔齿轮传感器，如图22所示，新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。

　　在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。

　　在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。

　　（1）相位精度高，可满足0.4°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。

　　（2）可满足0.05度曲轴角的熄火检测要求。

　　（3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。