霍爾傳感器的工作原理、檢測(cè)方法、特性參數(shù)及其優(yōu)點(diǎn)用途

　　霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種磁敏傳感器。將通有電流的物體放在磁場(chǎng)中，如果電流方向與磁場(chǎng)方向互相垂直，則在與磁場(chǎng)和電流方向都垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生橫向電勢(shì)差，這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓。采用產(chǎn)生霍爾效應(yīng)顯著的半導(dǎo)體材料制成霍爾器件，作為霍爾傳感器中的磁電轉(zhuǎn)換元件，可以進(jìn)行電磁測(cè)量，如測(cè)量磁場(chǎng)、電流、電功率等磁物理量和電量?；魻杺鞲衅鬟€可以利用磁場(chǎng)作為媒介，對(duì)很多物理量實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，通過轉(zhuǎn)換測(cè)量力、位移、振動(dòng)、加速度、轉(zhuǎn)速、流量等非電量，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、通信、自動(dòng)控制、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。

　　霍爾傳感器的工作原理

　　霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式?；魻栯娏鱾鞲衅饕话阌稍呺娐?、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次級(jí)線圈）和放大電路等組成。

　　直放式電流傳感器（開環(huán)式）

　　眾所周知，當(dāng)電流通過一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，一般的

　　額定輸出標(biāo)定為4V。

　　磁平衡式電流傳感器（閉環(huán)式）

　　磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。

　　磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng) ，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場(chǎng)， 使霍爾器件的輸

　　出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時(shí)可以通過Is來平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。

　　磁場(chǎng)中有一個(gè)霍爾半導(dǎo)體片，恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導(dǎo)體時(shí)向一側(cè)偏移，使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。

　　霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個(gè)毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號(hào)。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機(jī)械的方法來改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。下圖所示的方法是用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪作為控制磁通量的開關(guān)，當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時(shí)，磁場(chǎng)偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅(qū)動(dòng)軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點(diǎn)火正時(shí)傳感器?；魻栃?yīng)傳感器屬于被動(dòng)型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點(diǎn)使它能檢測(cè)轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

　　1-霍爾半導(dǎo)體元件 2-永久磁鐵 3-擋隔磁力線的葉片

　　霍爾傳感器的主要特性參數(shù)

　　前面介紹過了霍爾傳感器是一種根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的磁場(chǎng)傳感器，它的主要特性參數(shù)有以下幾類。

　　（1）輸入電阻R

　　霍爾傳感器元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾歐到兒百歐，視不同型號(hào)的元件而定。

　　溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流變大，最終引起霍爾傳感器電勢(shì)變化。為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。

　?。?）輸出電阻R

　　兩個(gè)霍爾傳感器電勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻，它的數(shù)位與輸入電阻同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變順改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻易與之匹配，可以使由溫度引起的程水電勢(shì)的漂移減至最小。

　?。?）最大激勵(lì)電流I---霍爾傳感器參數(shù)

　　由于霍爾傳感器電勢(shì)隨激勵(lì)電流的增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流1M但激勵(lì)電流增大，程爾元件的功耗增大，元件的溫皮升高，從而引起霍爾傳感器屯勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的幾件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至幾百毫安。

　?。?）靈敏度K

　　靈敏度KH=EH/IB，它的數(shù)值約為10MV（MA.T）左右。

　?。?）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM---霍爾傳感器參數(shù)

　　磁感應(yīng)強(qiáng)度超過BM時(shí)，霍爾傳感器電勢(shì)的非線性誤差將明顯增大，特斯撿（T）成幾千高斯（Gs）（1Gs=104T）。

　?。?）個(gè)等位電勢(shì)

　　在額定激勵(lì)電流F，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)它是由于4個(gè)屯極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的誤差。

　?。?）霍爾傳感器屯勢(shì)溫度系數(shù)

　　6M的數(shù)值一般為零點(diǎn)刀霍爾傳感器輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢(shì)，使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢(shì)引起日在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化1攝氏度時(shí)，霍爾傳感器電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)弱為霍爾傳感器電勢(shì)溫度系數(shù)，它與霍爾傳感器元件的材料有關(guān)。

　　霍爾傳感器的檢測(cè)

　　電流傳感器是檢測(cè)用電線路電流的一件電氣件，它輸出的信號(hào)根據(jù)不同的需要場(chǎng)合，送入其它的執(zhí)行電路，進(jìn)一步顯示電流值和控制其它電器。

　　電流傳感器主要特性參數(shù)

　　1、標(biāo)準(zhǔn)額定值和額定輸出電流

　　標(biāo)準(zhǔn)額定值的大小與傳感器產(chǎn)品的型號(hào)有關(guān)。 電流傳感器額定輸出電流，一般為10~400mA。

　　2、 偏移電流

　　偏移電流也叫殘余電流或剩余電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運(yùn)算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成。

　　3、 線性度

　　線性度決定了傳感器輸出信號(hào)（副邊電流IS）與輸入信號(hào)（原邊電流IP）在測(cè)量范圍內(nèi)成正比的程度。

　　4、 溫度漂移

　　5、 過載

　　電流傳感器的過載能力是指發(fā)生電流過載時(shí)，在測(cè)量范圍之外，原邊電流仍會(huì)增加，而且過載電流的持續(xù)時(shí)間可能很短，而過載值有可能超過傳感器的允許值，過載電流值傳感器一般測(cè)量不出來，但不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞。

　　6、 精度

　　電流傳感器的精度取決于標(biāo)準(zhǔn)額定電流。評(píng)定傳感器精度時(shí)還必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。

　　如你是使用者，注意規(guī)格型號(hào)就可以了。

　　霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)及其用途

　　在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用的很多場(chǎng)合，需要對(duì)電流和電壓進(jìn)行測(cè)量和控制，特別是在一些需要對(duì)大電流和高電壓測(cè)量和控制以及對(duì)所測(cè)電流和電壓要求較高精確度的情況下，需要使用安全、方便可靠精確度較高的電流電壓傳感器。早期，人們采用分流器和分壓器的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的檢測(cè)，但這種方法無法對(duì)主回路進(jìn)行隔離測(cè)量，這種方法使用不安全、精確度低。后來人們又發(fā)明了互感器，它與直接分流、分壓的方法相比，實(shí)現(xiàn)了主回路進(jìn)行隔離檢測(cè)，無疑是一大進(jìn)步，但它的應(yīng)用范圍比較窄，只適用于50Hz 正弦波的工頻檢測(cè)，對(duì)于其它波形電流、電壓的測(cè)量它就無能為力了。

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，原有的電流檢測(cè)元件（如分流器、互感器）已不能滿足中、高頻，高di/dt，寬頻譜電流波形的傳遞，霍爾電流電壓傳感器是彌補(bǔ)這一空缺的、有著廣泛應(yīng)用范圍和前景的主要檢測(cè)元件?；魻栯娏麟妷簜鞲衅髋c普通互感器相比有著下面的特點(diǎn)：

　　1. 測(cè)量范圍廣：它可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖、三角波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值電流、電壓信號(hào)也能忠實(shí)地進(jìn)行反映；

　　2. 響應(yīng)速度快：最快者響應(yīng)時(shí)間只為1us。

　　3. 測(cè)量精度高：其測(cè)量精度優(yōu)于1%，該精度適合于對(duì)任何波形的測(cè)量。普通互感器是感性元件，接入后影響被測(cè)信號(hào)波形，其一般精度為3%~5%，且只適合于50Hz 正弦波形。

　　4. 線性度好：優(yōu)于0.2%

　　5. 動(dòng)態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間快，可小于1us；普通互感器的響應(yīng)時(shí)間為10~20ms。

　　6. 工作頻帶寬：在0~100KHz 頻率范圍內(nèi)的信號(hào)均可以測(cè)量。

　　7. 可靠性高，平均無故障工作時(shí)間長(zhǎng)：平均無故障時(shí)間》5 10 小時(shí)

　　8. 過載能力強(qiáng)、測(cè)量范圍大：0---幾十安培~上萬安培

　　9. 體積小、重量輕、易于安裝。

　　由于霍爾電流電壓傳感器以上的優(yōu)點(diǎn)，故而可廣泛應(yīng)用與變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)電流電壓的各個(gè)領(lǐng)域中?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，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。

　　霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。

　　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。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(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、非磁的物理量例如力、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。

　　位移測(cè)量

　　兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。

　　力測(cè)量

　　如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，按這一原理可制成的力傳感器。

　　角速度測(cè)量

　　在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。

　　線速度測(cè)量

　　如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。