淺談霍爾傳感器的原理及在電力儀表中的應用

徐霜
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著集成電路等領域的快速發(fā)展，霍爾傳感器也得到了廣泛的應用?；魻杺鞲衅魇且环N以霍爾效應的應用為基礎，能夠?qū)⒈粶y非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)的傳感器裝置，具有高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等優(yōu)點。Ifl前霍爾傳感器已廣泛應用于汽車工業(yè)、自動化、信息處理等各個領域。本文分別從霍爾效應、霍爾元件、霍爾傳感器三個方面對霍爾傳感器進行簡要概述，并進一步闡述了霍爾傳感器對電力儀表的電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)測量的應用情況，期望能夠為相關(guān)方面的研究提供參考，提高霍爾傳感器的應用價值。

關(guān)鍵詞：霍爾效應；霍爾元件；霍爾傳感器；電力儀表；應用

十九世紀七十年代，美國物理學家霍爾(A．H．Hall，1855—1938)在研究金屬導體的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應。目前，廣泛應用于電力儀表中的霍爾傳感器就是利用霍爾效應制作的一種傳感器?；魻杺鞲衅魇且环N以霍爾效應的應用為基礎，能夠?qū)⒈粶y非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)的傳感器裝置，具有高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等優(yōu)點?，F(xiàn)階段，霍爾傳感器已經(jīng)由傳統(tǒng)的單個霍爾元件階段發(fā)展到集成電路階段，并廣泛應用于汽車工業(yè)、自動化、信息處理等各個領域。本文分別從霍爾效應、霍爾元件、霍爾傳感器三個方面對霍爾傳感器進行簡要概述，并進一步闡述了霍爾傳感器對電力儀表的電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)測量的應用情況，期望能夠為相關(guān)方面的研究提供參考，提高霍爾傳感器的應用價值。

1霍爾傳感器的基本概述
1.1霍爾效應
霍爾效應是由于物體運動產(chǎn)生的電荷受到磁場作用力和電場作用力的共同影響而產(chǎn)生的，屬于電磁效應的一種現(xiàn)象?；魻栃紫仁窃谘芯拷饘賹w的時候發(fā)現(xiàn)的，后來在半導體和導電流體中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，并且比金屬導體強的多。當載流導體裝置處于靜止狀態(tài)，并且置于磁場運行系統(tǒng)中時，如果該導體的電流運動方向與磁場的運動方向不一致的時候，該載流導體裝置上平行于磁場方向和電流方向的兩個不同面之間會產(chǎn)生一個電壓，即電動勢，這個電動勢就叫做霍爾電動勢，而這種現(xiàn)象就是霍爾效應?；魻栃獜陌l(fā)現(xiàn)至今100多年的時間，經(jīng)歷了三個階段：一階段，由于沒有得到充分的重視，應用價值不大，基本處于停頓狀態(tài)；二階段，隨著半導體材料的廣泛應用，推動了霍爾元件的應用；三階段，隨著集成電路的快速發(fā)展，人們開始將霍爾元件進行集成，形成霍爾傳感器，并實現(xiàn)了工業(yè)化，目前得以廣泛的應用。

1.3霍爾元件
霍爾元件是在發(fā)現(xiàn)霍爾效應的基礎上發(fā)展起來的一種特殊的磁敏感元件。它是以半導體為材料，選擇濺射工藝進行制作形成的，具有體積小、性能高、成本低等顯著優(yōu)點，廣泛應用于計算機、自動化、測量等領域。由于半導體材料的使用，使霍爾元件的敏感性大幅度提高，能夠有效的感應到溫度等參數(shù)的變化情況。一般情況下，霍爾元件分為霍爾線性器件和霍爾開：關(guān)器件兩種類型?；魻柧€性器件能夠直接檢測出受測體本身的磁特性，能夠輸出模擬信號，一般用于測量電流、電壓等參數(shù)?；魻栭_關(guān)器件根據(jù)感應方式的不同分為單性、雙性和全性三種類型，主要用于輸出數(shù)字量。如果在運行過程中霍爾元件測量得到不同的電阻值，會導致磁場產(chǎn)生的電阻也不穩(wěn)定。因此，為了保證霍爾：元件的高效運行，在使用期裝置時，應配置一個與磁場運行系統(tǒng)對應的電勢補償電路和溫度補償電路。

1.3霍爾傳感器
霍爾傳感器是指基于霍爾效應，將霍爾元件與補償電路、穩(wěn)壓電源、放大器等裝置集成在同一個芯片中形成的一種磁場傳感器。其中穩(wěn)壓電源能夠為控制電路提供必要的電源支持，保證控制電路的正常運行，并且能夠?qū)φ麄€傳感器系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，包括電流和電阻的調(diào)節(jié)。根據(jù)霍爾元件分類的不同，霍爾傳感器同樣分為線型傳感器和開關(guān)傳感器兩種類型。線型霍爾傳感器輸出的電壓與磁場強度在一定的磁感應強度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，一般適應于電流和電壓等參數(shù)的測量；開關(guān)型霍爾傳感器主要輸出數(shù)字量，具有無磨損、無抖動、精度高、輸出波形清晰等顯著優(yōu)點。由于霍爾傳感器中的霍爾元件能夠在恒定的磁場系統(tǒng)中進行轉(zhuǎn)動。因此，霍爾電動勢可以直觀的反映霍爾傳感器運行過程中的轉(zhuǎn)角參數(shù)變化的狀況。

2霍爾傳感器在電力儀表中的應用
霍爾傳感器由于其高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等顯著優(yōu)點，廣泛應用于汽車工業(yè)、自動化、信息處理等各個領域。其中，在電力儀表領域中的應用尤為突出?；魻杺鞲衅髟陔娏x表中的應用主要包括電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量，具體內(nèi)容如下：

2.1對電力儀表電流的測量
電力儀表運行時的電流參數(shù)的測定，需要霍爾傳感器按如下方法實現(xiàn)：首先，在測量電流時，將通電的導線置于安裝有霍爾元件的整個磁場運行系統(tǒng)中。在此條件下，電力儀表運行過程中會有一定的電流通過導線，在磁場運行系統(tǒng)中的霍爾元件便會產(chǎn)生一定的電壓信號。如果測量區(qū)域中的霍爾傳感器的電流的大小和電流的流向發(fā)生變化，磁場運行系統(tǒng)中相對應的電壓信號勢必會發(fā)生變化。由于霍爾傳感器中有放大器裝置，這樣的變化波動會同時促使傳感器裝置感應到電壓信號的變化，并通過放大器裝置對其進行二次整流和放大后，獲得電流值大小，即完成電流的測量任務。

2.2對電力儀表壓力的測量
電力儀表運行時的油壓等壓力參數(shù)測定的實現(xiàn)，其關(guān)鍵點在于電力儀表運行時，霍爾傳感器裝置能夠?qū)⑦\行過程中出現(xiàn)的非電量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏啃盘?。使用霍爾傳感器對電力儀表的壓力參數(shù)進行測量時，需要按如下方法實現(xiàn)：首先，將霍爾傳感器的各部分元件固定在電儀儀表系統(tǒng)中的彈性薄膜、波爾登管等彈性元件的一側(cè)。在電力儀表運行過程中，系統(tǒng)中的彈性元件會在壓力作用下產(chǎn)生一定的位置變化，而且這種位移變量同時會對霍爾元件的位置產(chǎn)生作用，使其在具有線性變化的磁場中進行有規(guī)律的移動，會產(chǎn)生并且輸出與此規(guī)律性移動相對應的霍爾電動勢。但是，由于彈性薄膜、波爾登管等彈性元件的彈性位移變化范圍一般比較小，僅能夠支持變化范圍比較微小的參數(shù)的檢測。同時，由于當前我國在此方面的技術(shù)條件還不夠成熟。因此，目前霍爾傳感器多用于電力儀表中油壓等微小壓力的測量工作。

2.3對電力儀表轉(zhuǎn)速的測量
電力儀表運行時的轉(zhuǎn)速參數(shù)的測定，需要霍爾傳感器按如下方法實現(xiàn)：首先，將一個能夠獨立運行的圓盤裝置置于待測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸之中。同時，這個圓盤裝置要盡可能的靠近霍爾傳感器裝置及其所處的磁場運行系統(tǒng)中。在磁場系統(tǒng)運行過程中，圓盤裝置會通過自身的轉(zhuǎn)動作用使其磁阻參數(shù)隨著氣隙的變化劇樣產(chǎn)生周期性的變化?；魻杺鞲衅髦阅軌?qū)﹄娏x表的轉(zhuǎn)速參數(shù)進行測量，主要通過以下兩種方式實現(xiàn)：一，在增設的嘲盤裝置外部邊緣粘貼’一個小磁鋼裝置，并將霍爾傳感器裝置置于其附近。在轉(zhuǎn)動圓盤裝置的過程中，粘貼的小磁鋼裝置會轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器附近，并輸出相應的磁脈沖信號。二，在增設的圓盤裝置背面粘貼一個小磁鋼裝置，并且同時接近正在轉(zhuǎn)動的齒輪裝置。在齒輪裝置轉(zhuǎn)動的過程中，會同時引發(fā)霍爾傳感器的磁感應狀態(tài)，并輸出相應的磁脈沖信號。以上兩種方式輸出的脈沖信號，通過放大器裝置對其進行二次整流和放大后，可以實現(xiàn)對電力儀表轉(zhuǎn)速的測量工作。

3安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
3.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

3.2產(chǎn)品選型
3.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

3.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

3.2.4直流漏電流傳感器

4結(jié)束語
綜上所述，霍爾傳感器作為檢測的基本工具，能夠?qū)⒈粶y非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)，實現(xiàn)對不同過程的控制。由于雀爾傳感器本身具有高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等顯著優(yōu)點，不僅在汽車工業(yè)、自動化、信息處理等領域應用廣泛，而且對電力儀表運行過程中電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量也表現(xiàn)出良好的應用價值和潛在優(yōu)勢。因此，通過本文對霍爾傳感器概況的分析和在電力儀表領域的應用分析，期望能夠為相關(guān)方面的研究提供參考，提高霍爾傳感器的應用價值。

【參考文獻】
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[2]季建珍.霍爾傳感器在電氣儀表中的應用
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2019.11版