浅谈霍尔传感器及在军工领域的应用

时圣利，钟贻兵，王昱皓，高明星

(山东航天电子技术研究所，山东 烟台 264670)

浅谈霍尔传感器及在军工领域的应用

时圣利，钟贻兵，王昱皓，高明星

(山东航天电子技术研究所，山东 烟台 264670)

本文首先概述了霍尔传感器技术及其应用情况，阐述了霍尔传感器的发展历程、类型及工作原理，其次研究了霍尔传感器的组成和特点，最后探讨了霍尔传感器在军工领域的应用情况及发展方向。

霍尔传感器；类型及特点；军工领域

0 引言

现代社会是信息社会，信息技术是推动社会进步的支柱力量。现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感器技术、通讯技术和计算机技术[1]，传感器技术作为现代信息社会的三大支柱技术之一，被广泛地应用于国民经济的各个领域，霍尔传感器就是其中应用非常广泛的一类，它不仅用于测量电压、电流、功率和磁感应强度等电磁参数，在非电量测量技术中还广泛应用于测量力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速等非电量参数[2]。

从茫茫太空，到浩瀚海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化的项目，都离不开各种各样的传感器，它对实现生产的自动化、合理化、降低生产成本、提高生产效率、提高产品质量，对提高人们的物质生活水平和健康水平，对保护环境、节约资源和能源，都起到了极其重要的作用，所以对霍尔传感器的研究有重要意义。

1 霍尔传感器的研究

1.1 霍尔传感器的发展历程

霍尔传感器是基于霍尔效应原理，自从1879年由美国物理学家霍尔(Hall)发现该效应后，它的应用经历了三个阶段[3-5]：

a.从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期，由于未能找到更合适的材料，虽然也有人利用霍尔效应做成磁场传感器件，但是实用价值不大，研究几乎一直处于停顿状态。

b.从20世纪40年代中期半导体理论和技术出现以后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件。相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器。

c.自20世纪60年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔元件和相关的信号处理电路集成在一起的霍尔集成器件。进入20世纪80年代，随着大规模、超大规模集成电路和微机械加工技术的发展，出现了三管脚和四管脚霍尔元件，实现了霍尔元件的系列化、加工的批量化、体积的微型化，从而带动了霍尔传感器的飞速发展。

1.2 霍尔传感器的类型及工作原理

按照霍尔传感器的功能可分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器，前者输出模拟量，后者输出数字量，前者的输出电压与输入磁场强度间具有良好的线性关系，能适用于变化磁场的跟踪检测，后者的输出为高、低电平两种状态，常用于无刷电机和汽车点火装置中[6]。线性霍尔传感器的精度高、线性度好；开关型霍尔传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。

线性霍尔传感器主要由分立的霍尔元件、信号处理电路、集磁环、磁补偿线圈等共同焊装在同一块印制电路板上来实现各种测量功能。信号处理电路包括：运算放大器、三极管、二极管、电阻、电容等器件。

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。当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠[7]。

霍尔传感器在电路原理上又划分为直测式和磁补偿式，工作原理如下[8]：

a．直测式原理

直测式霍尔传感器是利用集磁环将通电导线周围产生的磁场集中起来提供给磁敏元件，再由磁敏元件转换为弱电信号，经放大输出电压信号。这种霍尔器件电路原理简单，适合于测量低频电流，频宽较窄，抗电磁兼容性较差，测量精度低。其原理图如图1所示。

图1 直测式霍尔传感器简易图

b．磁补偿式原理

磁补偿式霍尔传感器的原理是在直测式霍尔器件的原理基础上加上了零磁通原理。即集磁环将原边电流所产生的磁场聚集后，作用于霍尔元件，使其有电压信号输出，经放大输入到功率放大器，输出补偿电流流经次级补偿线圈，次级线圈产生的磁场与原边电流产生的磁场相反，因而补偿了原边磁场，使霍尔输出逐渐减小，当原次级磁场相等时，补偿电流不再增大，这就是零磁通检测的原理。

另外，霍尔传感器按照供电方式可分为单电源霍尔传感器和双电源霍尔传感器；按照测量形式可分为单向测量传感器和双向测量传感器。

图2 磁补偿式霍尔传感器简易图

1.3 霍尔传感器的特点

霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔传感器是一种先进的、能隔离测量和控制的传感器。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足：互感器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离测量。霍尔传感器可以检测各种直流、交流及各种脉冲信号，而且能替代互感器和分流器。具有以下特点[9]：

a.可测量任意波形的电压和电流，如直流、交流和脉冲波形等；

b.线性度好：在工作温度范围内线性度优于0.1%；

c.精度高：在工作温度范围内的精度优于0.5%，该精度适合于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为2%～5%，且只适合于测量50Hz的正弦波形；

d.动态特性好：一般响应时间小于1μS，跟踪速度di/dt大于50A/μS；

e.工作频带宽：可在0～100kHz频率范围内很好地工作；

f.过载能力强：短时间能承受三倍额定电流的被测电流；

g.工作温度范围宽：通过设计温度补偿电路，工作温度范围可达-55℃～125℃；

h.可靠性高：平均无故障工作时间大于5万小时；

i.尺寸小，重量轻，易于安装且不会给系统带来任何损失。

2 在军工领域的应用

霍尔传感器不仅可以广泛应用于仪器、仪表、机车、电力、汽车、计算机等行业和民用领域，也可以应用在航天、航空、兵器等国防军事领域，并在这些领域内扮演着重要的角色[10]。

霍尔传感器是采用非接触式的方式来对电量型和非电量型等参数进行测量，由于灵敏度高、输出幅度大、温度漂移小、工作寿命长、可靠性、安全性高等诸多特点，且对电源稳定性的要求不高，所以在我国航天器上检测及过程自动控制等许多领域都有很大的应用空间[11]。基于霍尔传感器的以上优点，目前霍尔传感器已经在我国航天领域得到了广泛应用，主要包括神舟飞船、嫦娥卫星、导航卫星、天宫飞行器、各种小卫星、运载火箭和导弹等。例如用在飞行器的电源系统中，能够实时跟踪电源的电流、电压、功率变化情况及供电的运行状态，监测供电线路的过负荷、短路及断路等故障信息，使得飞行器能够根据所检测到的供电网络的综合信息，自主做出迅速的判断和处理，确保系统及设备正常工作，保证飞行器按照既定目标稳定飞行、可靠工作。对非电量物理量测量主要包括[12]：力、位置、位移、速度、加速度、角度、转数及转速等，例如霍尔开关感应被测磁场后输出电压，可以驱动控制三极管、晶闸管等元件，也可以驱动TTL、MOS等集成电路，从而与它们构成许多形式的控制电路，从而控制电气设备的开、关，检测转动物体的转速，测量往复运动物体的运动频率等，可以应用于直流无刷电机、无触点开关、位置控制、隔离检测等方面。

在其它军工产品测量和控制方面也有很广泛的应用。具体应用包括：军用电源系统电流检测；发射系统电源检测、微波功率管的过流保护；高频电源伺服系统、高压电源系统电压保护；船舰警戒探测系统电源检测保护；在船舶中工作的霍尔行程开关；飞机雷达天线的限位传感器；太阳电池阵驱动机构零位传感器；军用车辆发动机转速检测的霍尔齿轮传感器；导弹发射控制的霍尔角度传感器。

综上所述霍尔传感器在我国航天领域和军工领域都有着至关重要的应用，能够提供安全、可靠、稳定的检测手段，能够实时监测关键设备的工作状态，能够提高航天器自主监控的能力，最终实现智能检测，智能排除故障的功能，对军工产品的故障预警和故障诊断具有重大的意义。

3 结论

如今，虽然霍尔传感器已被广泛的应用在航天、航空、兵器、船舶、武器、机械、能源、石油、化工、医疗、交通运输等领域，在各种信息采集和处理中都起到了极其重要的作用[14]。但由于霍尔传感器体积相对元器件体积较大，在有些军工领域小型化方面的应用还受到一定的限制。今后，对霍尔传感器的研究将朝着实现微型化、微功耗、高灵敏度、高精度、高稳定性、智能化和多功能化方向开展。

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The Discussion about Hall Sensor and Its Application in Military Area

SHI Shengli, ZHONG Yibin, WANG Yihao, GAO Mingxing
(Shandong aerospace Electronic Technology institute, Yantai 264670, China)

This paper firstly outlines the Hall sensor technology, its application, history, types and working principles. Furthermore, its composition and characteristics are expounded, and finally the author introduces its application in the military area and the future development trend in detail.

hall Sensor; types and characteristics; military area

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.02.08

总装备部军用电子元器件科研项目(1107BT0005), 霍尔传感器贯彻国军标生产线项目。

时圣利(1981-), 男, 工程师, 硕士, 主要研究方向: 霍尔传感器研制。

时圣利，钟贻兵，王昱皓，等．浅谈霍尔传感器及在军工领域的应用[J]．新型工业化，2015，5(2)：44-47