【雕爷学编程】Arduino动手做（12）---霍尔磁场传感器模块2
37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验十二：3144E霍尔开关传感器模块 磁性磁铁磁场计数电机测速 可调灵敏度
知识点：磁性传感器与霍尔元件
一、磁性传感器（Magnetic sensor）
磁性传感器是一种可检测磁铁，以及电流产生的磁场或地磁场的强度和方向的传感器。磁场存在于我们身边，只是用肉眼看不见它，但我们可以借助磁性传感器来检测出它。虽然都叫做磁传感器，但是其实包含许多种类。
1、线圈（Coil）——
线圈是在众多磁性传感器中，最简单的一种磁性传感器。线圈可以检测出磁通量的变化。
如图所示，当把磁铁靠近线圈时，线圈内磁通量⊿B增加。于是，在阻碍线圈磁通量增加的方向产生一个像磁通一样的诱导电动势/诱导电流。相反，当把此磁铁远离线圈时，因为线圈内的磁通量减少，线圈在使磁通量增加的方向生成一个诱导电动势/诱导电流。然而，当磁铁保持不动时，因为没有改变磁通量，所以不会产生诱导电动势/诱导电流。因为线圈结构简单，所以它的特点是不易损坏。但因为线圈的输出电压依存于磁通量的变化速度，所以线圈无法用于检测磁通量变化缓慢的情况，或判断是否有固定的磁铁。
2、干簧管（Reed Switch）——
是左右两片呈交迭状且间隔一小段空隙的金属片（簧片）密封于一玻璃管中的传感器。 当有外部磁场靠近时，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通。干簧管也称舌簧管或磁簧开关，是一种有触点的无源电子开关元件，具有结构简单，体积小便于控制等优点，其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中装有两个铁质的弹性簧片电板，还灌有惰性气体。干簧管于1936年由贝尔电话实验室的沃尔特·埃尔伍德（Walter B. Ellwood）发明，他本人于1940年6月27日在美国申请专利，专利号为2264746。
3、霍尔元件（Hall element）——
霍尔元件是利用霍尔效应制作而成的元件，其由来是源于发现霍尔效应的霍尔博士的名字。 霍尔效应是指，当在电流的流动方向施加一个垂直于电流的磁场时，垂直于电流和磁感线的方向会产生一个电势差的现象。当电流通过半导体薄膜时，根据霍尔效应，会产生与磁通量密度和其方向相对应的电压。这种基于霍尔效应制作而成的，检测磁场的元件叫做霍尔元件。即使是磁通量没有变化的静态磁场，霍尔元件也可以检测出其有无，所以霍尔元件被应用于多种用途，例如与磁铁配套使用的非接触式开关，角度传感器，电流传感器等。采用霍尔元件的地磁传感器被广泛应用于智能手机等领域。
4、磁阻元件（Magnetoresistive element）——
磁阻元件是用一种在外施磁场的作用下可以改变其自身阻值的材料制作而成的元件。磁阻元件共分为四种，除了半导体磁阻元件（SMR元件）之外，还包括有用强磁体薄膜生成的各向异性磁阻（AMR Anisotropic Magneto Resistive），巨磁阻（GMR Giant Magneto Resistive)，和隧道磁阻（TMR Tunnel Magneto Resistive)。相对，霍尔元件是测量由洛伦兹力而产生电动势的传感器，半导体磁阻元件是利用由洛伦兹力而产生阻值变化的传感器。下图展示的是AKM也有大量生产的N型半导体磁阻元件的阻值变化示例。(SMR：Semiconductor Magneto Resistive) SMR的构造是在半导体薄膜上装了金属电极。如图所示，想定在一个顺时针方向的电流流入半导体薄膜的情况下。 此时，N型半导体薄膜的载流子将向逆时针方向流动，将这时的速度矢量定为V。并且再施加一个图中方向的磁场，载流子受洛伦兹力作用，行走路线被弯曲变长，因此阻值增大。
二、霍尔磁场传感器
磁传感器中，利用霍尔效应制成的传感器被称为霍尔传感器。霍尔效应实质上是运动电荷在磁场中受到洛仑磁力的作用后发生偏转而产生的，当霍尔电场力与洛仑磁力平衡时，霍尔片的上下两个平面间形成了恒定的电位差，利用这个电位差就可以测出磁感应强度。霍尔传感器分为，把利用霍尔效应获得的霍尔电势（VH），直接作为输出的霍尔元件，和把霍尔元件输出通过后段IC处理后输出高低电平数字信号的霍尔IC，还有把霍尔元件输出通过运放后成线性输出的线性霍尔IC。
1、霍尔元件（Hall element）——
（1）特征：作为基本型传感器，根据其后段电路设计的不同即可应用于数字型也可用于模拟型。它可获得的输出几十至几百mV的电压信号。
（2）输出特性：输出电压与垂直施加到传感器的磁场的大小成比例，并根据磁场的方向输出正电压和负电压。没有垂直磁场施加时，其输出电压为0 V （实际上即使无磁场施加时，也存在有偏置电压）。
（3）使用方法：输入端为控制电压（控制电流）和GND的2个引脚，输出端为差分输出的2个引脚，共计4个引脚。只要低于最大额定值，定电压驱动和定电流驱动都可以工作。
（4）应用：被用于DCBL电机，智能手机，数码相机的镜头驱动里。
2、数字霍尔IC（Digital Hall）——
（1）特征：将霍尔元件的输出与设定的阈值进行比较，并输出高低电平信号。因为输出电压范围由电源决定，因此输出信号很容易被后段控制器处理。可分为检测磁场强度的开关类型（点动单稳态）和检测磁场极性的锁存器类型（自锁双稳态）。内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。
（2）输出特性：输出电压根据垂直施加到霍尔传感器的磁场大小分为高电平和低电平的2种输出。另外，有S极检测，N极检测和双极检测类型。当磁场大小超过Bop时，输出变为低，当它低于Brp时，输出则变为高。对于Brp和Bop，Brp＜Bop（因为具有滞后）的关系成立。
（3）使用方法：有2个输入端子VCC，GND 和1个输出引脚。将霍尔元件与下图所示的IC相结合，并在其一定电压驱动方式下使用。
（4）应用：开关类型霍尔IC被用于家电的开关，锁存器类型霍尔IC被用于DCBL电机，旋转磁场检测等。
3、线性霍尔IC（Linear Hall）——
（1）特征：霍尔元件的输出电压经过放大器放大，并完成线性输出。（此时的输出为轨对轨输出）因为输出电压范围由电源指定，因此输出信号很容易被后段控制器处理。
（2）输出特性：输出电压与垂直施加到霍尔传感器的磁场的大小成比例。当无磁场施加时，输出电压设置为VCC / 2（实际上即使无磁场施加时，也存在有偏置电压），并根据磁场方向输出0 V至VCC的电压。
（3）使用方法：有2个输入端子VCC，GND 和1个输出引脚。将霍尔元件与图6所示的IC相结合，并使其在定电压驱动方式下使用。
（4）应用：被用于液位计，电流传感器，角度检测。根据霍尔效应原理制成的高斯计（特斯拉计）在测量磁场中，有着广泛的应用。
三、霍尔元件的种类和原理
1、霍尔元件是应用 霍尔效应的半导体元件, 当施加一个外磁场 (B) 时输出与磁场成比例的输出电压 (VH)。上图中2、4端子的电势差，下图中展示的霍尔元件输出。
2、驱动方式——霍尔元件分为定电流驱动和定电压驱动俩种驱动方式。根据不同的驱动方式, 其温度特性也有差异。
（1）定电流驱动
向端子1.3输入一定的电流 （IC）时，端子2.4的输出电压可以用下式表示。
VH ＝ RH・（1 / d）・IC・B
此处, RH为霍尔系数， d是垂直于端子面方向的半导体薄膜的厚度。
RH可以用电子电荷量e和 电子浓度n来定义。
RH = 1 / （e・n）
定电流驱动下的输出电压温度特性取决于RH的温度特性。
（2）定电压驱动
向端子1.3输入一定的电压 （VC）时， 端子2.4的输出电压可以用下式表示。
VH = μH・ （W / L） ・VC・B
此处, μH为电子移动度， W、L是端子面2、4方向，1、 3方向的长度。定电压驱动下的输出电压温度特性取决于μH的温度特性。
3、不平衡电压
即使霍尔元件在无外磁场印加时也会产生一个输出电压, 这被称为偏置电压 (不平衡定压)。此不平衡电压是在制造过程中无意识情况下产生的, 并且持有温度特性。霍尔元件的偏移成分可以用如下图所示的4个电阻值桥连电路表示。
这四个电阻值全部相等时, 为偏移0的情况。 此外, 如果存在偏移, 输出电压特性将如上图所示移动。
4、霍尔元件的种类——AKM提供半导体薄膜材料不同的三种类型的霍尔元件 (超灵敏霍尔元件, 高灵敏度霍尔元件, 低漂移霍尔元件)。 霍尔元素的材料分别为锑化铟 (InSb), 砷化铟 (InAs), 和砷化镓 (GaAs)。 目前主要用作霍尔元件的半导体材料是这三种类型。
硅 (Si) 是霍尔元件的代表性材料之一, 但由于其灵敏度低不被用作霍尔元件, 而是用在霍尔IC。 霍尔元件的灵敏度与半导体材料的迁移率成比例。 温度特性受各种因素影响, 但主要取决于带隙的大小。由于霍尔元件的材料不同其输出电压的温度特性和灵敏度也有所不同, 因此根据用途分开使用。特征如下。
◆ 特征
・InSb：是3种霍尔元件中灵敏度最高的霍尔元件。
・GaAs：是3种霍尔元件中温度特性最稳定的霍尔元件。
・InAs：是3种霍尔元件中灵敏度和温度特性都很均衡的霍尔元件。
上图展示了在相同控制电流 (Ic=5 mA) 下, 以恒定电流驱动3种霍尔元件时的输出电压特性。
上图展示了在相同控制电压 (Vc=1 V) 下, 以恒定电压驱动3种霍尔元件时的输出电压特性。