霍爾傳感器的工作原理、檢測方法、特性參數及其優點用途

　　霍爾傳感器是基於霍爾效應的一種磁敏傳感器。將通有電流的物體放在磁場中，如果電流方向與磁場方向互相垂直，則在與磁場和電流方向都垂直的方向上會產生橫向電勢差，這個現象稱為霍爾效應，產生的電勢差稱為霍爾電壓。採用產生霍爾效應顯著的半導體材料製成霍爾器件，作為霍爾傳感器中的磁電轉換元件，可以進行電磁測量，如測量磁場、電流、電功率等磁物理量和電量。霍爾傳感器還可以利用磁場作為媒介，對很多物理量實現非接觸式測量，通過轉換測量力、位移、振動、加速度、轉速、流量等非電量，廣泛應用於工業、交通、通信、自動控制、家用電器等各個領域。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/365247.htm

　　

　　霍爾傳感器的工作原理

　　霍爾電流傳感器是根據霍爾原理製成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式。霍爾電流傳感器一般由原邊電路、聚磁環、霍爾器件、（次級線圈）和放大電路等組成。

　　直放式電流傳感器（開環式）

　　眾所周知，當電流通過一根長導線時，在導線周圍將產生一磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應到霍爾器件上並使其有一信號輸出。這一信號經信號放大器放大後直接輸出，一般的

　　額定輸出標定為4V。

　　磁平衡式電流傳感器（閉環式）

　　磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器，即主迴路被測電流Ip在聚磁環處所產生的磁場通過一個次級線圈，電流所產生的磁場進行補償， 從而使霍爾器件處於檢測零磁通的工作狀態。

　　磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當主迴路有一電流通過時，在導線上產生的磁場被聚磁環聚集並感應到霍爾器件上， 所產生的信號輸出用於驅動相應的功率管並使其導通，從而獲得一個補償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產生磁場 ，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場， 使霍爾器件的輸

　　出逐漸減小。當與Ip與匝數相乘 所產生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經功率放大後，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態平衡的過程。

　　磁場中有一個霍爾半導體片，恆定電流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體時向一側偏移，使該片在CD方向上產生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。

　　霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經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的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁感應強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處於磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬於被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。

　　

　　1-霍爾半導體元件 2-永久磁鐵 3-擋隔磁力線的葉片

　　前面介紹過了霍爾傳感器是一種根據霍爾效應製作的磁場傳感器，它的主要特性參數有以下幾類。

　　（1）輸入電阻R

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

　　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變化。為了減少這種影響，最好採用恆流源作為激勵源。

　　（2）輸出電阻R

　　兩個霍爾傳感器電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻，它的數位與輸入電阻同一數量級。它也隨溫度改變順改變。選擇適當的負載電阻易與之匹配，可以使由溫度引起的程水電勢的漂移減至最小。

　　（3）最大激勵電流I---霍爾傳感器參數

　　由於霍爾傳感器電勢隨激勵電流的增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流1M但激勵電流增大，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的溫漂增大，因此每種型號的幾件均規定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至幾百毫安。

　　（4）靈敏度K

　　靈敏度KH=EH/IB，它的數值約為10MV（MA.T）左右。

　　（5）最大磁感應強度BM---霍爾傳感器參數

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

　　（6）個等位電勢

　　在額定激勵電流F，當外加磁場為零時它是由於4個屯極的幾何尺寸不對稱引起的誤差。

　　（7）霍爾傳感器屯勢溫度係數

　　6M的數值一般為零點刀霍爾傳感器輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢，使用時多採用電橋法來補償不等位電勢引起日在一定磁感應強度和激勵電流的作用下，溫度每變化1攝氏度時，霍爾傳感器電勢變化的百分數弱為霍爾傳感器電勢溫度係數，它與霍爾傳感器元件的材料有關。

　　

　　霍爾傳感器的檢測

　　電流傳感器是檢測用電線路電流的一件電氣件，它輸出的信號根據不同的需要場合，送入其它的執行電路，進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

　　1、標準額定值和額定輸出電流

　　標準額定值的大小與傳感器產品的型號有關。 電流傳感器額定輸出電流，一般為10~400mA。

　　2、 偏移電流

　　偏移電流也叫殘餘電流或剩餘電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀態不穩造成。

　　3、 線性度

　　線性度決定了傳感器輸出信號（副邊電流IS）與輸入信號（原邊電流IP）在測量範圍內成正比的程度。

　　4、 溫度漂移

　　5、 過載

　　電流傳感器的過載能力是指發生電流過載時，在測量範圍之外，原邊電流仍會增加，而且過載電流的持續時間可能很短，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量不出來，但不會對傳感器造成損壞。

　　6、 精度

　　電流傳感器的精度取決於標準額定電流。評定傳感器精度時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，注意規格型號就可以了。

　　

　　霍爾傳感器的優點及其用途

　　在科學實驗和工業應用的很多場合，需要對電流和電壓進行測量和控制，特別是在一些需要對大電流和高電壓測量和控制以及對所測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，人們採用分流器和分壓器的方法來實現對電流和電壓的檢測，但這種方法無法對主迴路進行隔離測量，這種方法使用不安全、精確度低。後來人們又發明了互感器，它與直接分流、分壓的方法相比，實現了主迴路進行隔離檢測，無疑是一大進步，但它的應用範圍比較窄，只適用於50Hz 正弦波的工頻檢測，對於其它波形電流、電壓的測量它就無能為力了。

　　隨著電力電子技術的發展，原有的電流檢測元件（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這一空缺的、有著廣泛應用範圍和前景的主要檢測元件。霍爾電流電壓傳感器與普通互感器相比有著下面的特點：

　　1. 測量範圍廣：它可以測量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈衝、三角波形等，甚至對瞬態峰值電流、電壓信號也能忠實地進行反映；

　　2. 響應速度快：最快者響應時間只為1us。

　　3. 測量精度高：其測量精度優於1%，該精度適合於對任何波形的測量。普通互感器是感性元件，接入後影響被測信號波形，其一般精度為3%~5%，且只適合於50Hz 正弦波形。

　　4. 線性度好：優於0.2%

　　5. 動態性能好：響應時間快，可小於1us；普通互感器的響應時間為10~20ms。

　　6. 工作頻帶寬：在0~100KHz 頻率範圍內的信號均可以測量。

　　7. 可靠性高，平均無故障工作時間長：平均無故障時間》5 10 小時

　　8. 過載能力強、測量範圍大：0---幾十安培~上萬安培

　　9. 體積小、重量輕、易於安裝。

　　由於霍爾電流電壓傳感器以上的優點，故而可廣泛應用與變頻調速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機、電解電鍍、數控工具機、微機監測系統、電網監控系統和需要隔離檢測電流電壓的各個領域中。霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油汙、水汽及鹽霧等的汙染或腐蝕。

　　霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重複精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度範圍寬，可達－55℃～150℃。

　　按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

　　位移測量

　　兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置於中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。

　　力測量

　　如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，按這一原理可製成的力傳感器。

　　角速度測量

　　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，圓盤旋轉一周，霍爾傳感器就輸出一個脈衝，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。

　　線速度測量

　　如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈衝信號。根據脈衝信號的分布可以測出車輛的運動速度。