37款傳感器與模塊的提法，在網(wǎng)絡(luò)上廣泛流傳，其實(shí)Arduino能夠兼容的傳感器模塊肯定是不止37種的。鑒于本人手頭積累了一些傳感器和執(zhí)行器模塊，依照實(shí)踐出真知（一定要?jiǎng)邮肿觯┑睦砟?，以學(xué)習(xí)和交流為目的，這里準(zhǔn)備逐一動(dòng)手試試多做實(shí)驗(yàn)，不管成功與否，都會(huì)記錄下來(lái)——小小的進(jìn)步或是搞不掂的問題，希望能夠拋磚引玉。

【Arduino】168種傳感器模塊系列實(shí)驗(yàn)（資料代碼+仿真編程+圖形編程）
實(shí)驗(yàn)十二：3144E霍爾開關(guān)傳感器模塊 磁性磁鐵磁場(chǎng)計(jì)數(shù)電機(jī)測(cè)速 可調(diào)靈敏度

知識(shí)點(diǎn)：磁性傳感器與霍爾元件
一、磁性傳感器（Magnetic sensor）
磁性傳感器是一種可檢測(cè)磁鐵，以及電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)或地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向的傳感器。磁場(chǎng)存在于我們身邊，只是用肉眼看不見它，但我們可以借助磁性傳感器來(lái)檢測(cè)出它。雖然都叫做磁傳感器，但是其實(shí)包含許多種類。

1、線圈（Coil）——
線圈是在眾多磁性傳感器中，最簡(jiǎn)單的一種磁性傳感器。線圈可以檢測(cè)出磁通量的變化。
如圖所示，當(dāng)把磁鐵靠近線圈時(shí)，線圈內(nèi)磁通量⊿B增加。于是，在阻礙線圈磁通量增加的方向產(chǎn)生一個(gè)像磁通一樣的誘導(dǎo)電動(dòng)勢(shì)/誘導(dǎo)電流。相反，當(dāng)把此磁鐵遠(yuǎn)離線圈時(shí)，因?yàn)榫€圈內(nèi)的磁通量減少，線圈在使磁通量增加的方向生成一個(gè)誘導(dǎo)電動(dòng)勢(shì)/誘導(dǎo)電流。然而，當(dāng)磁鐵保持不動(dòng)時(shí)，因?yàn)闆]有改變磁通量，所以不會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)電動(dòng)勢(shì)/誘導(dǎo)電流。因?yàn)榫€圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以它的特點(diǎn)是不易損壞。但因?yàn)榫€圈的輸出電壓依存于磁通量的變化速度，所以線圈無(wú)法用于檢測(cè)磁通量變化緩慢的情況，或判斷是否有固定的磁鐵。

2、干簧管（Reed Switch）——
是左右兩片呈交迭狀且間隔一小段空隙的金屬片（簧片）密封于一玻璃管中的傳感器。 當(dāng)有外部磁場(chǎng)靠近時(shí)，管內(nèi)的兩個(gè)簧片被磁化而互相吸引接觸，簧片就會(huì)吸合在一起，使結(jié)點(diǎn)所接的電路連通。干簧管也稱舌簧管或磁簧開關(guān)，是一種有觸點(diǎn)的無(wú)源電子開關(guān)元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小便于控制等優(yōu)點(diǎn)，其外殼一般是一根密封的玻璃管，管中裝有兩個(gè)鐵質(zhì)的彈性簧片電板，還灌有惰性氣體。干簧管于1936年由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的沃爾特·埃爾伍德（Walter B. Ellwood）發(fā)明，他本人于1940年6月27日在美國(guó)申請(qǐng)專利，專利號(hào)為2264746。

3、霍爾元件（Hall element）——
霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制作而成的元件，其由來(lái)是源于發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)的霍爾博士的名字。 霍爾效應(yīng)是指，當(dāng)在電流的流動(dòng)方向施加一個(gè)垂直于電流的磁場(chǎng)時(shí)，垂直于電流和磁感線的方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差的現(xiàn)象。當(dāng)電流通過(guò)半導(dǎo)體薄膜時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生與磁通量密度和其方向相對(duì)應(yīng)的電壓。這種基于霍爾效應(yīng)制作而成的，檢測(cè)磁場(chǎng)的元件叫做霍爾元件。即使是磁通量沒有變化的靜態(tài)磁場(chǎng)，霍爾元件也可以檢測(cè)出其有無(wú)，所以霍爾元件被應(yīng)用于多種用途，例如與磁鐵配套使用的非接觸式開關(guān)，角度傳感器，電流傳感器等。采用霍爾元件的地磁傳感器被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等領(lǐng)域。

4、磁阻元件（Magnetoresistive element）——
磁阻元件是用一種在外施磁場(chǎng)的作用下可以改變其自身阻值的材料制作而成的元件。磁阻元件共分為四種，除了半導(dǎo)體磁阻元件（SMR元件）之外，還包括有用強(qiáng)磁體薄膜生成的各向異性磁阻（AMR Anisotropic Magneto Resistive），巨磁阻（GMR Giant Magneto Resistive)，和隧道磁阻（TMR Tunnel Magneto Resistive)。相對(duì)，霍爾元件是測(cè)量由洛倫茲力而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的傳感器，半導(dǎo)體磁阻元件是利用由洛倫茲力而產(chǎn)生阻值變化的傳感器。下圖展示的是AKM也有大量生產(chǎn)的N型半導(dǎo)體磁阻元件的阻值變化示例。(SMR：Semiconductor Magneto Resistive) SMR的構(gòu)造是在半導(dǎo)體薄膜上裝了金屬電極。如圖所示，想定在一個(gè)順時(shí)針方向的電流流入半導(dǎo)體薄膜的情況下。 此時(shí)，N型半導(dǎo)體薄膜的載流子將向逆時(shí)針方向流動(dòng)，將這時(shí)的速度矢量定為V。并且再施加一個(gè)圖中方向的磁場(chǎng)，載流子受洛倫茲力作用，行走路線被彎曲變長(zhǎng)，因此阻值增大。

二、霍爾磁場(chǎng)傳感器
磁傳感器中，利用霍爾效應(yīng)制成的傳感器被稱為霍爾傳感器。霍爾效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖磁力的作用后發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，當(dāng)霍爾電場(chǎng)力與洛侖磁力平衡時(shí)，霍爾片的上下兩個(gè)平面間形成了恒定的電位差，利用這個(gè)電位差就可以測(cè)出磁感應(yīng)強(qiáng)度?；魻杺鞲衅鞣譃?，把利用霍爾效應(yīng)獲得的霍爾電勢(shì)（VH），直接作為輸出的霍爾元件，和把霍爾元件輸出通過(guò)后段IC處理后輸出高低電平數(shù)字信號(hào)的霍爾IC，還有把霍爾元件輸出通過(guò)運(yùn)放后成線性輸出的線性霍爾IC。
1、霍爾元件（Hall element）——
（1）特征：作為基本型傳感器，根據(jù)其后段電路設(shè)計(jì)的不同即可應(yīng)用于數(shù)字型也可用于模擬型。它可獲得的輸出幾十至幾百mV的電壓信號(hào)。
（2）輸出特性：輸出電壓與垂直施加到傳感器的磁場(chǎng)的大小成比例，并根據(jù)磁場(chǎng)的方向輸出正電壓和負(fù)電壓。沒有垂直磁場(chǎng)施加時(shí)，其輸出電壓為0 V （實(shí)際上即使無(wú)磁場(chǎng)施加時(shí)，也存在有偏置電壓）。

（3）使用方法：輸入端為控制電壓（控制電流）和GND的2個(gè)引腳，輸出端為差分輸出的2個(gè)引腳，共計(jì)4個(gè)引腳。只要低于最大額定值，定電壓驅(qū)動(dòng)和定電流驅(qū)動(dòng)都可以工作。

（4）應(yīng)用：被用于DCBL電機(jī)，智能手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)的鏡頭驅(qū)動(dòng)里。

2、數(shù)字霍爾IC（Digital Hall）——
（1）特征：將霍爾元件的輸出與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，并輸出高低電平信號(hào)。因?yàn)檩敵鲭妷悍秶呻娫礇Q定，因此輸出信號(hào)很容易被后段控制器處理?？煞譃闄z測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的開關(guān)類型（點(diǎn)動(dòng)單穩(wěn)態(tài)）和檢測(cè)磁場(chǎng)極性的鎖存器類型（自鎖雙穩(wěn)態(tài)）。內(nèi)部均有5個(gè)部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)組成。
（2）輸出特性：輸出電壓根據(jù)垂直施加到霍爾傳感器的磁場(chǎng)大小分為高電平和低電平的2種輸出。另外，有S極檢測(cè)，N極檢測(cè)和雙極檢測(cè)類型。當(dāng)磁場(chǎng)大小超過(guò)Bop時(shí)，輸出變?yōu)榈?，?dāng)它低于Brp時(shí)，輸出則變?yōu)楦?。?duì)于Brp和Bop，Brp＜Bop（因?yàn)榫哂袦螅┑年P(guān)系成立。

（3）使用方法：有2個(gè)輸入端子VCC，GND 和1個(gè)輸出引腳。將霍爾元件與下圖所示的IC相結(jié)合，并在其一定電壓驅(qū)動(dòng)方式下使用。

（4）應(yīng)用：開關(guān)類型霍爾IC被用于家電的開關(guān)，鎖存器類型霍爾IC被用于DCBL電機(jī)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)檢測(cè)等。

3、線性霍爾IC（Linear Hall）——
（1）特征：霍爾元件的輸出電壓經(jīng)過(guò)放大器放大，并完成線性輸出。（此時(shí)的輸出為軌對(duì)軌輸出）因?yàn)檩敵鲭妷悍秶呻娫粗付?，因此輸出信?hào)很容易被后段控制器處理。
（2）輸出特性：輸出電壓與垂直施加到霍爾傳感器的磁場(chǎng)的大小成比例。當(dāng)無(wú)磁場(chǎng)施加時(shí)，輸出電壓設(shè)置為VCC / 2（實(shí)際上即使無(wú)磁場(chǎng)施加時(shí)，也存在有偏置電壓），并根據(jù)磁場(chǎng)方向輸出0 V至VCC的電壓。

（3）使用方法：有2個(gè)輸入端子VCC，GND 和1個(gè)輸出引腳。將霍爾元件與圖6所示的IC相結(jié)合，并使其在定電壓驅(qū)動(dòng)方式下使用。

（4）應(yīng)用：被用于液位計(jì)，電流傳感器，角度檢測(cè)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）在測(cè)量磁場(chǎng)中，有著廣泛的應(yīng)用。

三、霍爾元件的種類和原理

1、霍爾元件是應(yīng)用 霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體元件, 當(dāng)施加一個(gè)外磁場(chǎng) (B) 時(shí)輸出與磁場(chǎng)成比例的輸出電壓 (VH)。上圖中2、4端子的電勢(shì)差，下圖中展示的霍爾元件輸出。

2、驅(qū)動(dòng)方式——霍爾元件分為定電流驅(qū)動(dòng)和定電壓驅(qū)動(dòng)倆種驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式, 其溫度特性也有差異。
（1）定電流驅(qū)動(dòng)
向端子1.3輸入一定的電流 （IC）時(shí)，端子2.4的輸出電壓可以用下式表示?！　　?br> 　　VH ＝ RH?（1 / d）?IC?B
此處, RH為霍爾系數(shù)， d是垂直于端子面方向的半導(dǎo)體薄膜的厚度。
RH可以用電子電荷量e和 電子濃度n來(lái)定義。
　　RH = 1 / （e?n）
定電流驅(qū)動(dòng)下的輸出電壓溫度特性取決于RH的溫度特性。

（2）定電壓驅(qū)動(dòng)
向端子1.3輸入一定的電壓 （VC）時(shí)， 端子2.4的輸出電壓可以用下式表示。
　　VH = μH? （W / L） ?VC?B
此處, μH為電子移動(dòng)度， W、L是端子面2、4方向，1、 3方向的長(zhǎng)度。定電壓驅(qū)動(dòng)下的輸出電壓溫度特性取決于μH的溫度特性。

3、不平衡電壓
即使霍爾元件在無(wú)外磁場(chǎng)印加時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓, 這被稱為偏置電壓 (不平衡定壓)。此不平衡電壓是在制造過(guò)程中無(wú)意識(shí)情況下產(chǎn)生的, 并且持有溫度特性?；魻栐钠瞥煞挚梢杂萌缦聢D所示的4個(gè)電阻值橋連電路表示。

這四個(gè)電阻值全部相等時(shí), 為偏移0的情況。 此外, 如果存在偏移, 輸出電壓特性將如上圖所示移動(dòng)。

4、霍爾元件的種類——AKM提供半導(dǎo)體薄膜材料不同的三種類型的霍爾元件 (超靈敏霍爾元件, 高靈敏度霍爾元件, 低漂移霍爾元件)。 霍爾元素的材料分別為銻化銦 (InSb), 砷化銦 (InAs), 和砷化鎵 (GaAs)。 目前主要用作霍爾元件的半導(dǎo)體材料是這三種類型。

硅 (Si) 是霍爾元件的代表性材料之一, 但由于其靈敏度低不被用作霍爾元件, 而是用在霍爾IC。 霍爾元件的靈敏度與半導(dǎo)體材料的遷移率成比例。 溫度特性受各種因素影響, 但主要取決于帶隙的大小。由于霍爾元件的材料不同其輸出電壓的溫度特性和靈敏度也有所不同, 因此根據(jù)用途分開使用。特征如下。

◆ 特征
?InSb：是3種霍爾元件中靈敏度最高的霍爾元件。
?GaAs：是3種霍爾元件中溫度特性最穩(wěn)定的霍爾元件。
?InAs：是3種霍爾元件中靈敏度和溫度特性都很均衡的霍爾元件。

上圖展示了在相同控制電流 (Ic=5 mA) 下, 以恒定電流驅(qū)動(dòng)3種霍爾元件時(shí)的輸出電壓特性。

上圖展示了在相同控制電壓 (Vc=1 V) 下, 以恒定電壓驅(qū)動(dòng)3種霍爾元件時(shí)的輸出電壓特性。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-639435.html

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