霍爾效應(yīng)的應(yīng)用

人們?cè)诶没魻栃?yīng)原理開發(fā)的各種霍爾元件已廣泛應(yīng)用于精密測(cè)磁、自動(dòng)化控制、通信、計(jì)算機(jī)、航天航空等工業(yè)部門及國防領(lǐng)域。按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。直接應(yīng)用是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，間接應(yīng)用是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量，如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。

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1.醫(yī)學(xué)方面的運(yùn)用

(1)利用霍爾效應(yīng)，科學(xué)家研制了一種精密的電磁流量計(jì)一測(cè)量血液流速的儀器。如圖4，利用電磁流量計(jì)，可以較為準(zhǔn)確地測(cè)得流過血管的血流量。但是電磁流量計(jì)測(cè)量是一種損傷性的方法，使用時(shí)要將被測(cè)血管暴露在體外，它常常用于動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)和心臟、動(dòng)脈手術(shù)中測(cè)定血流速度和血流量。

(2)電磁泵是一種利用作用在導(dǎo)電液體上的磁場(chǎng)力來運(yùn)送導(dǎo)電液體的裝置。如圖，這種泵在醫(yī)學(xué)上常被用來輸送血液或其他電解質(zhì)溶液，由于這種裝置沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)使血液中細(xì)胞受到損害，而且可以全部密封，避免了污染。在人工心肺機(jī)和人工腎裝置中常用它來輸送血液。

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電磁泵

2.日常生活中的應(yīng)用
  錄音機(jī)的換向機(jī)構(gòu)就是使用霍爾傳感器檢測(cè)磁帶終點(diǎn)并完成自動(dòng)換向功能的;錄像機(jī)中的磁鼓電機(jī)常采用銻化鋼霍爾元件:洗衣機(jī)中的電動(dòng)機(jī)主要依靠霍爾傳感器檢測(cè)與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向功能。霍爾開關(guān)類傳感器還用于電飯煲、氣爐的溫度控制和電冰箱的除霜等方面。大量應(yīng)用于影碟機(jī)、VCD 等家用電器和儀表中的霍爾電機(jī)是-一種無刷電機(jī)，它是利用轉(zhuǎn)速變化信號(hào)控制霍爾電壓信號(hào)變化，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)管中的工作電流，即調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子繞組電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與穩(wěn)速的控制，克服了一般帶電刷或整流子直流電機(jī)不能達(dá)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)、壽命長、噪聲小的致命弱點(diǎn)?；魻栃?yīng)動(dòng)感檢測(cè)器與電子線路組裝可制成報(bào)警器，帶在老人或消防人員身上，當(dāng)出現(xiàn)昏迷、跌倒等危險(xiǎn)情形時(shí)可報(bào)警發(fā)出聲響，還可用來裝在汽車或摩托車上，達(dá)到防盜目的

• 工程技術(shù)中的應(yīng)用
  

  
  

  (1)測(cè)量電流強(qiáng)度。將霍爾器件的輸出(必要時(shí)可進(jìn)行放大)送到經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測(cè)電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y(cè)直流、交流和各種波形的電流。在現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，霍爾電流傳感器是電流檢測(cè)的產(chǎn)品。

  
  

  (2)測(cè)量微小位移。若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一一個(gè) 均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓UH值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量來決定。產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器，將它們固定在被測(cè)系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。用霍爾元件測(cè)量位移具有靈敏度高，慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但工作距離較小。以微位移檢測(cè)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。

  
  

  (3)壓力傳感器。霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成,加.上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變作用到霍爾元件上的磁場(chǎng)，從而改變它的輸出電壓UH。由事先校準(zhǔn)的P~f( UH)曲線即可得到被測(cè)壓力P的值。

(4)車用傳感器。車用傳感器是電子控制系統(tǒng)的主要組成部分之-一，在實(shí)現(xiàn)車輛電子化中占有舉足輕重的地位。-輛電 子控制系統(tǒng)比較完整的豪華轎車中，幾乎可以有20~30個(gè)霍爾傳感器用于汽車工作狀態(tài)的測(cè)量和控制。另外，霍爾效應(yīng)傳感器還可用于車用導(dǎo)航系統(tǒng)，變速器控制，汽車生產(chǎn)線自動(dòng)控制，以及公路撓性路面的檢測(cè)等。隨著車輛電子化的發(fā)展，對(duì)車用傳感器開展以下幾個(gè)方面的研究開發(fā):環(huán)境檢測(cè)用傳感器:主要集中研究開發(fā)采用微波的抗振雷達(dá)，采用紅外線的障礙檢測(cè)裝置，采用超聲波和CCD攝像機(jī)相結(jié)合的距離監(jiān)測(cè)裝置，采用微波與紅外線和攝像機(jī)相結(jié)合的視覺放大系統(tǒng)。路況檢測(cè)用傳感器:主要研究開發(fā)監(jiān)測(cè)與判斷輪胎與路面的各種參數(shù)等方面的傳感器。車輛狀態(tài)檢測(cè)用傳感器:主要研究開發(fā)用于車速和角速度測(cè)量的傳感器。未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、多功能化、集成化和智能化。

(5)電磁無損探傷。鋼絲繩作為起重、運(yùn)輸、提升及承載設(shè)備中的重要構(gòu)件，被應(yīng)用于礦山、運(yùn)輸、建筑、旅游等行業(yè)，但由于使用環(huán)境惡劣，在它表面會(huì)產(chǎn)生斷絲、磨損等各種缺陷，所以，及時(shí)對(duì)鋼絲繩探傷檢測(cè)顯得尤為重要?；魻栃?yīng)無損探傷方法安全、可靠、實(shí)用，被應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷檢測(cè)之中。其探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性之上。采用霍爾元件檢測(cè)該泄漏磁場(chǎng)的信號(hào)變化，可以有效地檢測(cè)出缺陷存在。

(6)磁流體發(fā)電。其基本原理就是利用等離子體的霍爾效應(yīng)，即在橫向磁場(chǎng)作用下使通過磁場(chǎng)的等離子體正、負(fù)帶電粒子分離后積聚于兩個(gè)極板形成電源電動(dòng)勢(shì)。這種新型的高效發(fā)電方式，通過燃料燃燒發(fā)出的熱能使氣體變成高溫高壓的等離子體流而轉(zhuǎn)換成電能，既提高了熱能利用效率又滿足了環(huán)保的要求。磁流體發(fā)電技術(shù)，可能是今后取代火力發(fā)電的一個(gè)方向，磁流體發(fā)電發(fā)展前景廣闊。

4.科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用

霍爾傳感器在飛機(jī)、軍艦、航天器、新軍事裝備及通訊中應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。如我國的遠(yuǎn)程導(dǎo)﹡、“風(fēng)云"號(hào)衛(wèi)星、“神舟"號(hào)飛船等均使用特別研制的霍爾傳感器。在計(jì)算機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)需要發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的輸入信號(hào)。其中霍爾效應(yīng)傳感器組件(霍爾集成電路或霍爾元件與永磁體、軟磁材料等封裝在一起)就提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸位置數(shù)據(jù)等。

霍爾元件的特點(diǎn)和分類

1.霍爾元件的特點(diǎn)。霍爾元件的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHZ),耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，調(diào)試方便等?；魻栐痛朋w都能在很寬的溫度范圍(-40C~150"C)、很強(qiáng)的振動(dòng)沖擊條件下工作，且磁場(chǎng)不受- -般介質(zhì)的阻隔。另外它的變換器組件能夠和相關(guān)的信號(hào)處理電路集成到同- -片硅片上，體積小，成本低，且具有較好的抗電磁干擾性能。

2.霍爾元件的分類。按照霍爾元件的結(jié)構(gòu)可分為:一維霍 爾元件、二維霍爾元件和三維霍爾元件。-維霍爾元件又被稱為單軸霍爾元件，它的主要參數(shù)是靈敏度、工作溫度和頻率響應(yīng)。運(yùn)用此類器件時(shí)，就可將與適當(dāng)?shù)男〈配?起運(yùn)動(dòng)的物體的位置、位移、速度、角度等信息以電信號(hào)的形式傳感出來，達(dá)到了自動(dòng)測(cè)量與控制的目的。二維霍爾元件的結(jié)構(gòu)是-二維平面，也被稱為平面霍爾元件:三維霍爾元件通常被稱為非平面霍爾元件?；魻栐垂δ芸煞譃?線形元件、開關(guān)、鎖存器和專﹡傳感器。