淺談霍爾傳感器的原理及在電力儀表中的應(yīng)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(lǐng)域的快速發(fā)展，霍爾傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇且环N以霍爾效應(yīng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，能夠?qū)⒈粶y(cè)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(diǎn)。Ifl前霍爾傳感器已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等各個(gè)領(lǐng)域。本文分別從霍爾效應(yīng)、霍爾元件、霍爾傳感器三個(gè)方面對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并進(jìn)一步闡述了霍爾傳感器對(duì)電力儀表的電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)測(cè)量的應(yīng)用情況，期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)方面的研究提供參考，提高霍爾傳感器的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)；霍爾元件；霍爾傳感器；電力儀表；應(yīng)用

十九世紀(jì)七十年代，美國物理學(xué)家霍爾(A．H．Hall，1855—1938)在研究金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。目前，廣泛應(yīng)用于電力儀表中的霍爾傳感器就是利用霍爾效應(yīng)制作的一種傳感器。霍爾傳感器是一種以霍爾效應(yīng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，能夠?qū)⒈粶y(cè)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(diǎn)?，F(xiàn)階段，霍爾傳感器已經(jīng)由傳統(tǒng)的單個(gè)霍爾元件階段發(fā)展到集成電路階段，并廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等各個(gè)領(lǐng)域。本文分別從霍爾效應(yīng)、霍爾元件、霍爾傳感器三個(gè)方面對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并進(jìn)一步闡述了霍爾傳感器對(duì)電力儀表的電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)測(cè)量的應(yīng)用情況，期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)方面的研究提供參考，提高霍爾傳感器的應(yīng)用價(jià)值。

1霍爾傳感器的基本概述
1.1霍爾效應(yīng)
霍爾效應(yīng)是由于物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電荷受到磁場(chǎng)作用力和電場(chǎng)作用力的共同影響而產(chǎn)生的，屬于電磁效應(yīng)的一種現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)首先是在研究金屬導(dǎo)體的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的，后來在半導(dǎo)體和導(dǎo)電流體中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，并且比金屬導(dǎo)體強(qiáng)的多。當(dāng)載流導(dǎo)體裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，并且置于磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中時(shí)，如果該導(dǎo)體的電流運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向不一致的時(shí)候，該載流導(dǎo)體裝置上平行于磁場(chǎng)方向和電流方向的兩個(gè)不同面之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，即電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)就叫做霍爾電動(dòng)勢(shì)，而這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)從發(fā)現(xiàn)至今100多年的時(shí)間，經(jīng)歷了三個(gè)階段：一階段，由于沒有得到充分的重視，應(yīng)用價(jià)值不大，基本處于停頓狀態(tài)；二階段，隨著半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了霍爾元件的應(yīng)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(jìn)行集成，形成霍爾傳感器，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，目前得以廣泛的應(yīng)用。

1.3霍爾元件
霍爾元件是在發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種特殊的磁敏感元件。它是以半導(dǎo)體為材料，選擇濺射工藝進(jìn)行制作形成的，具有體積小、性能高、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、測(cè)量等領(lǐng)域。由于半導(dǎo)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(yīng)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(cè)出受測(cè)體本身的磁特性，能夠輸出模擬信號(hào)，一般用于測(cè)量電流、電壓等參數(shù)。霍爾開關(guān)器件根據(jù)感應(yīng)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(yùn)行過程中霍爾元件測(cè)量得到不同的電阻值，會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)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(yùn)行，在使用期裝置時(shí)，應(yīng)配置一個(gè)與磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)補(bǔ)償電路和溫度補(bǔ)償電路。

1.3霍爾傳感器
霍爾傳感器是指基于霍爾效應(yīng)，將霍爾元件與補(bǔ)償電路、穩(wěn)壓電源、放大器等裝置集成在同一個(gè)芯片中形成的一種磁場(chǎng)傳感器。其中穩(wěn)壓電源能夠?yàn)榭刂齐娐诽峁┍匾碾娫粗С?，保證控制電路的正常運(yùn)行，并且能夠?qū)φ麄€(gè)傳感器系統(tǒng)進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)度在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，一般適應(yīng)于電流和電壓等參數(shù)的測(cè)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(dòng)、精度高、輸出波形清晰等顯著優(yōu)點(diǎn)。由于霍爾傳感器中的霍爾元件能夠在恒定的磁場(chǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，霍爾電動(dòng)勢(shì)可以直觀的反映霍爾傳感器運(yùn)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(yīng)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等各個(gè)領(lǐng)域。其中，在電力儀表領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為突出。霍爾傳感器在電力儀表中的應(yīng)用主要包括電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量，具體內(nèi)容如下：

2.1對(duì)電力儀表電流的測(cè)量
電力儀表運(yùn)行時(shí)的電流參數(shù)的測(cè)定，需要霍爾傳感器按如下方法實(shí)現(xiàn)：首先，在測(cè)量電流時(shí)，將通電的導(dǎo)線置于安裝有霍爾元件的整個(gè)磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中。在此條件下，電力儀表運(yùn)行過程中會(huì)有一定的電流通過導(dǎo)線，在磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中的霍爾元件便會(huì)產(chǎn)生一定的電壓信號(hào)。如果測(cè)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(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)勢(shì)必會(huì)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(dòng)會(huì)同時(shí)促使傳感器裝置感應(yīng)到電壓信號(hào)的變化，并通過放大器裝置對(duì)其進(jìn)行二次整流和放大后，獲得電流值大小，即完成電流的測(cè)量任務(wù)。

2.2對(duì)電力儀表壓力的測(cè)量
電力儀表運(yùn)行時(shí)的油壓等壓力參數(shù)測(cè)定的實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵點(diǎn)在于電力儀表運(yùn)行時(shí)，霍爾傳感器裝置能夠?qū)⑦\(yùn)行過程中出現(xiàn)的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏啃盘?hào)。使用霍爾傳感器對(duì)電力儀表的壓力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要按如下方法實(shí)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(yùn)行過程中，系統(tǒng)中的彈性元件會(huì)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(shí)會(huì)對(duì)霍爾元件的位置產(chǎn)生作用，使其在具有線性變化的磁場(chǎng)中進(jìn)行有規(guī)律的移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生并且輸出與此規(guī)律性移動(dòng)相對(duì)應(yīng)的霍爾電動(dòng)勢(shì)。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(cè)。同時(shí)，由于當(dāng)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(cè)量工作。

2.3對(duì)電力儀表轉(zhuǎn)速的測(cè)量
電力儀表運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速參數(shù)的測(cè)定，需要霍爾傳感器按如下方法實(shí)現(xiàn)：首先，將一個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)行的圓盤裝置置于待測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸之中。同時(shí)，這個(gè)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(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中。在磁場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，圓盤裝置會(huì)通過自身的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行測(cè)量，主要通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：一，在增設(shè)的嘲盤裝置外部邊緣粘貼’一個(gè)小磁鋼裝置，并將霍爾傳感器裝置置于其附近。在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤裝置的過程中，粘貼的小磁鋼裝置會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器附近，并輸出相應(yīng)的磁脈沖信號(hào)。二，在增設(shè)的圓盤裝置背面粘貼一個(gè)小磁鋼裝置，并且同時(shí)接近正在轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪裝置。在齒輪裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，會(huì)同時(shí)引發(fā)霍爾傳感器的磁感應(yīng)狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的磁脈沖信號(hào)。以上兩種方式輸出的脈沖信號(hào)，通過放大器裝置對(duì)其進(jìn)行二次整流和放大后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力儀表轉(zhuǎn)速的測(cè)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(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)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(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)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(cè)的基本工具，能夠?qū)⒈粶y(cè)非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)，不僅在汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且對(duì)電力儀表運(yùn)行過程中電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值和潛在優(yōu)勢(shì)。因此，通過本文對(duì)霍爾傳感器概況的分析和在電力儀表領(lǐng)域的應(yīng)用分析，期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)方面的研究提供參考，提高霍爾傳感器的應(yīng)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】
[1]白韶紅.集成霍爾傳感器的發(fā)展[J].自動(dòng)化儀表.2003.24（3）：1-9
[2]季建珍.霍爾傳感器在電氣儀表中的應(yīng)用
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2019.11版