霍爾傳感器測(cè)量原理：一文讀懂「霍爾傳感器工作原理」
原標(biāo)題：一文讀懂「霍爾傳感器工作原理」
霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件，霍爾電流傳感器包括開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種，高精度的霍爾電流傳感器大多屬于閉環(huán)式，閉環(huán)式霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環(huán)原理。今天小編就來(lái)為大家介紹一下霍爾電流傳感器工作原理、測(cè)量方法及應(yīng)用。
工作原理
開(kāi)環(huán)電流傳感器
當(dāng)原邊電流IP流過(guò)一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)鷮a(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過(guò)磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測(cè)量并放大輸出，其輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標(biāo)定為4V。
閉環(huán)電流傳感器
磁平衡式電流傳感器也稱(chēng)補(bǔ)償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。
具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被磁環(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)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(guò)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(lái)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)的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)測(cè)試Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程重新達(dá)到平衡。
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(guò)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(guò)程。因此，從宏觀上看，次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等。
測(cè)量方法
1
原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏。
2
原邊導(dǎo)線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙。
3
需要測(cè)量的電流應(yīng)接近于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個(gè)額定值很高的傳感器，而欲測(cè)量的電流值又低于額定值很多，為了提高測(cè)量精度，可以把原邊導(dǎo)線多繞幾圈，使之接近額定值。
例如當(dāng)用額定值100A的傳感器去測(cè)量10A的電流時(shí)，為提高精度可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞十圈(一般情況，NP=1;在內(nèi)孔中繞一圈，NP=2;……;繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等，從而可提高精度)。
4
當(dāng)欲測(cè)量的電流值為IPN/10的時(shí)，在25℃仍然可以有較高的精度。
實(shí)際應(yīng)用
近年來(lái)，自動(dòng)化系統(tǒng)中大量使用大功率晶體管、整流器和可控硅，普遍采用交流變頻調(diào)速及脈寬調(diào)制電路，使得電路中不再只是傳統(tǒng)的50周的正弦波，出現(xiàn)了各種不同的波形。對(duì)于這類(lèi)電路，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能反應(yīng)其真實(shí)波形，而且電流、電壓檢出元件也不適應(yīng)中高頻、高di/dt電流波形的傳感和檢測(cè)。
霍爾效應(yīng)傳感器，可以測(cè)量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。針對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器普遍存在溫度漂移大的缺點(diǎn)，采用補(bǔ)償電路進(jìn)行控制，有效地減少了溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，確保測(cè)量準(zhǔn)確;具有精度高、安裝方便、售價(jià)低的特點(diǎn)。
霍爾效應(yīng)傳感器廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、ups電源、通信電源、電焊機(jī)、電力機(jī)車(chē)、變電站、數(shù)控機(jī)床、電解電鍍、微機(jī)監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)等需要隔離檢測(cè)電流電壓的設(shè)施中。
通過(guò)霍爾電流傳感器工作原理、測(cè)量方法及應(yīng)用的講解，相信大家對(duì)霍爾電流傳感器應(yīng)該有所了解了。霍爾電流傳感器尤其是閉環(huán)式霍爾電流傳感器因其寬頻帶、交直流兩用、不易磁飽和等特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。返回搜狐，查看更多
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霍爾傳感器測(cè)量原理：霍爾傳感器原理
霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但是由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件，由于他的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器是一種當(dāng)交變磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵(lì)磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)決定的。因此，霍爾傳感器不需要外界電源供電。 應(yīng)用范圍：1.電子式水表、氣表、電表和遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)2.控制設(shè)備中傳送速度的測(cè)量3.無(wú)刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和速度控制4.在工程中測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)速度和其他機(jī)械上的自動(dòng)化應(yīng)用5.轉(zhuǎn)速儀、速度表以及其他轉(zhuǎn)子式計(jì)量裝置
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當(dāng)有電流 I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) eh ，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，上述半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾元件。
中文名
霍爾傳感器原理
提出者
霍爾
半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片。當(dāng)有電流 I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) eh ，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，上述半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾元件。原理簡(jiǎn)述如下：激勵(lì)電流 I 從 a 、 b 端流入，磁場(chǎng) B 由正上方作用于薄片，這時(shí)電子 e 的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反，將受到洛侖茲力 FL 的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，該側(cè)形成電子的堆積，從而在薄片的 c 、 d 方向產(chǎn)生電場(chǎng) E 。電子積累得越多， FE 也越大，在半導(dǎo)體薄片 c 、 d 方向的端面之間建立的電動(dòng)勢(shì) EH 就是霍爾電勢(shì)。由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵(lì)電流端的電流 I 越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。磁場(chǎng)方向相反，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變，因此霍爾傳感器能用于測(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng)。（以上內(nèi)容是轉(zhuǎn)貼的）
霍爾傳感器測(cè)量原理：霍爾傳感器的測(cè)量機(jī)構(gòu)和工作原理是什么？
霍爾傳感器的測(cè)量機(jī)構(gòu)和工作原理是什么？
如今工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化程度越來(lái)越高，各種非電量測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)受重視程度越來(lái)越高。因此，工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的“眼睛”傳感器更加受到關(guān)注。
例如題目說(shuō)到的霍爾傳感器，不僅是用于電量的檢測(cè)，還可以用于非電量的檢測(cè)。例如電量的檢測(cè)參數(shù)有電壓、電流、功率、磁感應(yīng)強(qiáng)度等檢測(cè)，非電量測(cè)量參數(shù)有角位移、壓力等檢測(cè)。它是一種基于霍爾效應(yīng)的磁敏傳感器。
什么是霍爾效應(yīng)？霍爾傳感器的工作原理是什么？
霍爾效應(yīng)；在磁場(chǎng)中垂直放置一塊通電的金屬薄片或半導(dǎo)體薄片，此時(shí)薄片的兩側(cè)之間有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，稱(chēng)該現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)。
上圖是一塊霍爾元件，
其制成是基于霍爾效應(yīng)的。雖然上述說(shuō)到霍爾效應(yīng)在金屬薄片或半導(dǎo)體都能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，但是在半導(dǎo)體尤其是高純度半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)特別顯著。因此，霍爾元件多數(shù)采用的是高純度半導(dǎo)體材料制成的。
圖中是一塊N型半導(dǎo)體霍爾元件，在其相對(duì)的兩側(cè)面通控制電流，同時(shí)在其垂直方向施加磁場(chǎng)，那么霍爾元件在洛倫茲力的作用下，其兩端則產(chǎn)生一個(gè)與控制電流和磁場(chǎng)成正比例關(guān)系的電勢(shì)差。
電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式V＝kBI，V表示電動(dòng)勢(shì)、K代表霍爾元件的靈敏度，其不僅跟金屬或半導(dǎo)體材料有關(guān)，還與自身的尺寸有關(guān)、B代表施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
根據(jù)表達(dá)式分析可知，當(dāng)通電電流恒定，輸出的電動(dòng)勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，由此可知此時(shí)霍爾元件所處磁場(chǎng)是非均勻磁場(chǎng)。當(dāng)施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定，輸出的電動(dòng)勢(shì)正比于電流強(qiáng)度。所以說(shuō)，霍爾傳感器可用于非電量參數(shù)測(cè)量和電量參數(shù)測(cè)量，上述則是其緣由。但用于電量參數(shù)功率的檢測(cè)時(shí)，霍爾元件的電流強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都是變化的，因此輸出電動(dòng)勢(shì)正比于電流強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積。
霍爾元件雖然用的高純度半導(dǎo)體薄片比金屬薄片產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)明顯，但不是優(yōu)良的霍爾傳感器。因此，要采用集成電路技術(shù)霍爾元件、溫補(bǔ)器、放大器、穩(wěn)壓電路集成于一個(gè)芯片上才能成為性能優(yōu)越的霍爾傳感器。
