磁传感器的主要功能是将磁性或磁性编码的信息转换为电信号，以便电子电路进行处理。在传感器和换能器相关知识体系中，我们了解到感应式接近传感器、LDVT以及螺线管和继电器输出执行器等内容。而磁传感器作为固态器件，正凭借其诸多优势逐渐流行起来。它可用于多种不同类型的应用，如位置、速度或方向运动的感测。对于电子设计师而言，磁传感器具有非接触式无磨损操作、低维护、坚固设计等优点，并且作为密封的霍尔效应器件，它不受振动、灰尘和水的影响，这使得它成为电子设计中的热门选择。

磁传感器的主要用途之一体现在汽车系统中，可用于位置、距离和速度的感测。例如，在火花塞点火角度的控制中，它能检测曲轴角度位置；在安全气囊控制方面，可检测汽车座椅和安全带位置；在防抱死制动系统（ABS）中，用于车轮速度的检测。磁传感器设计用于响应各种不同应用中的广泛正负磁场，其中输出信号是周围磁场密度函数的磁传感器就是霍尔效应传感器。

霍尔效应传感器的原理

霍尔效应传感器基本上由一块薄矩形p型半导体材料构成，常见的材料有砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs）等，并且有连续电流通过该半导体材料。当该器件被放置在磁场中时，磁通线会对半导体材料施加力，使得电荷载流子（电子和空穴）向半导体板的两侧偏转。这种电荷载流子的运动是它们在通过半导体材料时所受到的磁力作用的结果。

当电子和空穴横向移动时，由于这些电荷载流子的积累，会在半导体材料的两侧之间产生电位差。电子通过半导体材料的运动受到垂直于它的外部磁场的影响，而且这种效应在扁平矩形材料中更为显著。通过使用磁场产生可测量电压的这种效应被称为霍尔效应，它是以埃德温・霍尔的名字命名的，他在19世纪70年代发现了这一效应，其基本物理原理是洛伦兹力。为了在器件上产生电位差，磁通线必须垂直于（90°）电流流动，并且具有正确的极性，通常是南极。

霍尔效应能够提供有关磁极类型和磁场强度的信息。例如，南极会使器件产生电压输出，而北极则没有影响。通常情况下，霍尔效应传感器和开关在没有磁场存在时设计为“关闭”（开路状态），只有在受到足够强度和极性的磁场作用时才会“打开”（闭路状态）。

图1霍尔效应传感器原理

霍尔效应磁传感器的特性

基本霍尔元件的输出电压被称为霍尔电压（VH），它与通过半导体材料的磁场强度成正比（输出∝H）。不过，即使受到强磁场作用，该输出电压可能也非常小，仅有几微伏。因此，大多数市售霍尔效应器件都内置了直流放大器、逻辑开关电路和电压调节器，目的是提高传感器的灵敏度、滞后和输出电压，这也使得霍尔效应传感器能够在更广泛的电源和磁场条件下工作。

霍尔效应传感器具有线性或数字输出两种类型。线性（模拟）传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出，其输出电压与通过霍尔传感器的磁场成正比。该输出霍尔电压的计算公式为：

其中：

VH是霍尔电压，单位为伏特；

RH是霍尔效应系数；

I是通过传感器的电流，单位为安培；

t是传感器的厚度，单位为毫米；

B是磁通密度，单位为特斯拉。

线性或模拟传感器能够提供连续电压输出，其输出随着强磁场的增加而增加，随着弱磁场的增加而减少。在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，放大器的输出信号也会增加，直到受到电源限制而开始饱和。此时，磁场的任何额外增加都不会对输出产生影响，但会使其更加饱和。

另一方面，数字输出传感器具有连接到运算放大器的施密特触发器，并且内置滞后。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，器件的输出会迅速从“关闭”状态切换到“打开”状态，而且不会出现任何类型的接触反弹。这种内置滞后消除了传感器进出磁场时输出信号的任何振荡，因此数字输出传感器只有“打开”和“关闭”两种状态。

数字霍尔效应传感器有双极型和单极型两种基本类型。双极传感器需要正磁场（南极）来启动操作，需要负磁场（北极）来释放；而单极传感器只需要单个磁南极来操作和释放，当它们进出磁场时即可实现相应功能。

大多数霍尔效应器件不能直接切换大电负载，因为它们的输出驱动能力非常小，大约为10到20mA。对于大电流负载，通常会在输出端添加一个开集电极（电流吸收）NPN晶体管。该晶体管在其饱和区工作，作为NPN吸收开关，当施加的磁通密度高于“打开”预设点时，会将输出端子短路到地。输出开关晶体管可以是开射极晶体管、开集电极晶体管配置或两者都提供推挽输出类型配置，能够吸收足够的电流直接驱动许多负载，包括继电器、电机、LED和灯等。

图2霍尔效应传感器

霍尔效应传感器的应用

霍尔效应传感器由磁场激活，在许多应用中，可以通过连接到移动轴或设备的单个永磁体来操作该设备。存在多种不同类型的磁体运动，例如“正面”“侧面”“推拉”或“推推”等感测运动。无论采用哪种配置，为了确保最大灵敏度，磁通线必须始终垂直于器件的感测区域，并且必须具有正确的极性。此外，为了确保线性，需要使用高场强磁体，以在所需运动中产生大的场强变化。以下是使用单个磁体的两种常见感测配置：

正面检测

“正面检测”要求磁场垂直于霍尔效应感测器件，并且为了实现检测，它直接朝向传感器的活动面接近。这种正面方法会生成输出信号VH，在线性器件中，该信号表示磁场强度和磁通密度，是远离霍尔效应传感器的距离的函数。磁场越近，强度越强，输出电压越大，反之亦然。线性器件还可以区分正负磁场。也可以设置非线性器件在远离磁体的预设气隙距离处触发输出“打开”，以指示位置检测。

图3正面霍尔效应感测

侧面检测

“侧面检测”需要将磁体横向移动穿过霍尔效应元件的表面。侧面或滑动检测可用于检测磁场的存在，因为磁体以固定的气隙距离穿过霍尔元件的表面，例如，可用于计数旋转磁体或电机的旋转速度。根据磁场通过传感器的零场中心线时的位置，可以生成表示正负输出的线性输出电压，这允许进行方向运动检测，方向可以是垂直的也可以是水平的。

图4侧面霍尔效应感测

霍尔效应传感器有许多不同的应用，特别是作为接近传感器。它们可以在环境条件较为恶劣，包括存在水、振动、污垢或油的情况下使用，可代替光学和光传感器，例如在汽车应用中。此外，霍尔效应器件也可用于电流感测。我们知道，当电流通过导体时，会在其周围产生圆形电磁场。通过将霍尔传感器放置在导体旁边，可以从生成的磁场中测量从几毫安到数千安培的电流，而无需使用大型或昂贵的变压器和线圈。

除了检测磁体和磁场的存在或不存在外，霍尔效应传感器还可以通过将小型永磁“偏置”磁体放置在器件的活动区域后面来检测铁磁材料（如铁和钢）。此时，传感器位于永久和静态磁场中，任何通过引入铁磁材料对该磁场的改变或干扰都将被检测到，灵敏度可低至mV/G。

根据器件类型（无论是数字还是线性），有许多不同的方法将霍尔效应传感器连接到电气和电子电路。一个简单且易于构建的示例是使用发光二极管。当没有磁场存在时（0高斯），该正面位置检测器将“关闭”。当永磁体的南极（正高斯）垂直朝向霍尔效应传感器的活动区域移动时，器件“打开”并点亮LED。一旦“打开”，霍尔效应传感器保持“打开”状态。要关闭器件并因此关闭LED，必须将磁场减少到低于单极传感器的释放点，或暴露于双极传感器的磁北极（负高斯）。如果需要霍尔效应传感器的输出来切换更大的电流负载，可以用更大的功率晶体管替换LED。

图5霍尔效应位置指示器

综上所述，霍尔效应传感器凭借其独特的原理和丰富的应用场景，在现代电子技术领域中发挥着重要作用，并且随着技术的不断发展，其应用前景也将更加广阔。