霍尔效应的应用原理
摘要：1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机构时发现了能使导电材料中的电力与磁场相互作用而产生电动势的效应，所以称为霍尔效应。如今，随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，现在广泛运用于电动机车测速、电磁测量和汽车等方面。
关键词：霍尔效应 电动机车测速 电磁测量 汽车 Abstract：Research in 1879 America Hopki university students in the Holzer conductive mechanism of metal found effect can make the electric and magnetic conductive material arising from the interaction of electric potential, so it is called the Holzer effect. Nowadays,
with the development of semiconductor materials and manufacturing processes, people also use semiconductor material Holzer element, is now widely applied to Motor car speed, electromagnetic measurement and Car. Key word：Holzer effect Motor car speed Electromagnetic measurement Car
引言：
固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。目前，在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场，直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。
霍尔效应原理图
1 霍尔效应在电动机车测速的应用
1.1 原理
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。发电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。
1.2工作方法
当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两个霍尔传感器将产生同样的输出信号。无论磁场的强度有多大，它们之间的差值总为0.然而，由于一个单元面向磁场集中的轮齿，另一个单元则面向一个齿隙，两个霍尔单元之间存在磁场梯度 ，那么将产生一个差值信号，并在芯片上放大，实际上，这个差值出现了一个小偏移，它可由相应集成的控制电路来修正。这种动态差分原理使传感器表面与齿轮之间存在较大气隙的条件下能保持高灵敏度。
2 霍尔效应在电磁测量中的应用
2.1原理
霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。
2.2前景
在国外，由于磁传感器已逐渐被广泛而大量地使用，有许多企业竞相研制和
生产，形成一定规模的磁传感器产业。霍尔器件是半导体磁传感器中最成熟和产量最大的产品。旭化成(InSb霍尔元件)、Honeywell、A11egro(原称
Sprague)、ITT、Siemens(霍尔电路)等均已大量生产。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生产了金属膜磁敏电阻器及集成电路。TDK、Sony、
Matsusbita、Toshiba等巳批量生产非晶磁头等非晶金属磁传感器。还有LEM、Honeywell、F.W．Bell、NaNa等公司生产厂各种用途和量程的电流、电压传感器和其它类型的磁传感器组件，这些磁传感器都巳得到广泛的应用。
3 霍尔效应在汽车中的应用
3.1 汽车点火系统中的应用
（1） 原理：设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲
发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。
（2） 优点：在汽车分电器中,将翼片连接在凸轮轴上,传感器固定于分电器底板
上。工作中,当翼片齿移入气隙时给出一高电平，移除气隙时给出一低电平，形成矩形波,利用下降沿(或上升沿)触发点火电路,进行点火。这种霍尔翼片传感器取代机械接触点断电的电子断电器，工作无惯性，无触点,无磨擦,无须保养,寿命长,可靠性高,点火准时性不受其它因素的影响,准时误差最小,和晶体管开关电路一起工作时,可使点火线圈次级得到较高的点火电压和能量,且低速、高速点火性能均好。
3.2 霍尔效应在汽车开关中的应用
（1） 原理：采用功率霍尔开关,用磁体来驱动它们,加上电路本身已采取了限流
和回扫放电通路等保护措施的,因此,适合用作汽车开关。
（2） 优点：在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电
机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。目前的霍尔器件都可承受一定的振动,可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作,全部密封不受水油污染,完全能够适应汽车的恶劣工作环境。 4 霍尔效应的前景
目前对整数和分数量子霍尔效应的研究是采用了超高纯度材料和超强磁场及超低温度的极端物理条件,已经取得了许多新的成果和重要的应用。如果再扩大超高纯度材料的种类，并加上其他的极端物理条件,如超高压、超强激光、超微重力等极端物理条件,是否还会发现更多的新现象和新效应呢?我们将拭目以待,期盼着科学研究的新成果
未来十年中国会走进传感器时代,高尖科技必不可少的器件,工业方面的变频器几乎都要用到电流检测,大型电厂,,变电站 发电站,等, 为节能调速,几乎每台三相电动机要配台变频器,就一个工业城市电动机要用多少,变频器多少,每台变频器最少要用两只,很多用三只的,如南京的>在国类就很大的市场,国产变频器绝大多数用到他的,像这种现状应该霍尔厂家不多,有着很大的潜力。
参考文献：
姚安居，吴庆州.大学物理实验.中国矿业大学出版社，2009.2：137~145；
王世康.霍尔元件的特点及应用[J].胜利油田师范专科学校学报，1998，(4)：19~21.； 杨锡震,田强.量子霍尔效应[J]物理实验,2000,(6):6.；
郑厚植.分数量子霍尔效应[J].物理,1999,(3):139.；
王顺安.大学物理实验[M].西安:西北工业大学出版社,1994：143.；
刘战存，郑余梅.大学物理[M]．2007，(11)：《霍尔效应的发现》；
王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社1999.2:259-260.
霍尔效应的应用原理
摘要：1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机构时发现了能使导电材料中的电力与磁场相互作用而产生电动势的效应，所以称为霍尔效应。如今，随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，现在广泛运用于电动机车测速、电磁测量和汽车等方面。
关键词：霍尔效应 电动机车测速 电磁测量 汽车 Abstract：Research in 1879 America Hopki university students in the Holzer conductive mechanism of metal found effect can make the electric and magnetic conductive material arising from the interaction of electric potential, so it is called the Holzer effect. Nowadays,
with the development of semiconductor materials and manufacturing processes, people also use semiconductor material Holzer element, is now widely applied to Motor car speed, electromagnetic measurement and Car. Key word：Holzer effect Motor car speed Electromagnetic measurement Car
引言：
固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。目前，在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场，直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。
霍尔效应原理图
1 霍尔效应在电动机车测速的应用
1.1 原理
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。发电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。
1.2工作方法
当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两个霍尔传感器将产生同样的输出信号。无论磁场的强度有多大，它们之间的差值总为0.然而，由于一个单元面向磁场集中的轮齿，另一个单元则面向一个齿隙，两个霍尔单元之间存在磁场梯度 ，那么将产生一个差值信号，并在芯片上放大，实际上，这个差值出现了一个小偏移，它可由相应集成的控制电路来修正。这种动态差分原理使传感器表面与齿轮之间存在较大气隙的条件下能保持高灵敏度。
2 霍尔效应在电磁测量中的应用
2.1原理
霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。
2.2前景
在国外，由于磁传感器已逐渐被广泛而大量地使用，有许多企业竞相研制和
生产，形成一定规模的磁传感器产业。霍尔器件是半导体磁传感器中最成熟和产量最大的产品。旭化成(InSb霍尔元件)、Honeywell、A11egro(原称
Sprague)、ITT、Siemens(霍尔电路)等均已大量生产。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生产了金属膜磁敏电阻器及集成电路。TDK、Sony、
Matsusbita、Toshiba等巳批量生产非晶磁头等非晶金属磁传感器。还有LEM、Honeywell、F.W．Bell、NaNa等公司生产厂各种用途和量程的电流、电压传感器和其它类型的磁传感器组件，这些磁传感器都巳得到广泛的应用。
3 霍尔效应在汽车中的应用
3.1 汽车点火系统中的应用
（1） 原理：设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲
发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。
（2） 优点：在汽车分电器中,将翼片连接在凸轮轴上,传感器固定于分电器底板
上。工作中,当翼片齿移入气隙时给出一高电平，移除气隙时给出一低电平，形成矩形波,利用下降沿(或上升沿)触发点火电路,进行点火。这种霍尔翼片传感器取代机械接触点断电的电子断电器，工作无惯性，无触点,无磨擦,无须保养,寿命长,可靠性高,点火准时性不受其它因素的影响,准时误差最小,和晶体管开关电路一起工作时,可使点火线圈次级得到较高的点火电压和能量,且低速、高速点火性能均好。
3.2 霍尔效应在汽车开关中的应用
（1） 原理：采用功率霍尔开关,用磁体来驱动它们,加上电路本身已采取了限流
和回扫放电通路等保护措施的,因此,适合用作汽车开关。
（2） 优点：在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电
机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。目前的霍尔器件都可承受一定的振动,可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作,全部密封不受水油污染,完全能够适应汽车的恶劣工作环境。 4 霍尔效应的前景
目前对整数和分数量子霍尔效应的研究是采用了超高纯度材料和超强磁场及超低温度的极端物理条件,已经取得了许多新的成果和重要的应用。如果再扩大超高纯度材料的种类，并加上其他的极端物理条件,如超高压、超强激光、超微重力等极端物理条件,是否还会发现更多的新现象和新效应呢?我们将拭目以待,期盼着科学研究的新成果
未来十年中国会走进传感器时代,高尖科技必不可少的器件,工业方面的变频器几乎都要用到电流检测,大型电厂,,变电站 发电站,等, 为节能调速,几乎每台三相电动机要配台变频器,就一个工业城市电动机要用多少,变频器多少,每台变频器最少要用两只,很多用三只的,如南京的>在国类就很大的市场,国产变频器绝大多数用到他的,像这种现状应该霍尔厂家不多,有着很大的潜力。
参考文献：
姚安居，吴庆州.大学物理实验.中国矿业大学出版社，2009.2：137~145；
王世康.霍尔元件的特点及应用[J].胜利油田师范专科学校学报，1998，(4)：19~21.； 杨锡震,田强.量子霍尔效应[J]物理实验,2000,(6):6.；
郑厚植.分数量子霍尔效应[J].物理,1999,(3):139.；
王顺安.大学物理实验[M].西安:西北工业大学出版社,1994：143.；
刘战存，郑余梅.大学物理[M]．2007，(11)：《霍尔效应的发现》；
王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社1999.2:259-260.