淺談霍爾傳感器的原理及在電力儀表中的應用

摘要：隨著(zhù)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用?；魻杺鞲衅魇且环N以霍爾效應的應用為基礎，能夠將被測非電量參數轉化為電量參數的傳感器裝置，具有高靈敏性、高穩定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等點(diǎn)。Ifl霍爾傳感器已廣泛應用于汽車(chē)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、霍爾元件、霍爾傳感器三個(gè)方面對霍爾傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并進(jìn)一步闡述了霍爾傳感器對電力儀表的電流、壓力、轉速等參數測量的應用情況，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(jià)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(xué)家霍爾(A．H．Hall，1855—1938)在研究金屬導體的導電機構時(shí)發(fā)現了霍爾效應。目，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，能夠將被測非電量參數轉化為電量參數的傳感器裝置，具有高靈敏性、高穩定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等點(diǎn)?，F階段，霍爾傳感器已經(jīng)由傳統的單個(gè)霍爾元件階段發(fā)展到集成電路階段，并廣泛應用于汽車(chē)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、霍爾元件、霍爾傳感器三個(gè)方面對霍爾傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并進(jìn)一步闡述了霍爾傳感器對電力儀表的電流、壓力、轉速等參數測量的應用情況，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(jià)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(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，屬于電磁效應的一種現象?；魻栃紫仁窃谘芯拷饘賹w的時(shí)候發(fā)現的，后來(lái)在半導體和導電流體中也發(fā)現了這種現象，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(chǎng)運行系統中時(shí)，如果該導體的電流運動(dòng)方向與磁場(chǎng)的運動(dòng)方向不一致的時(shí)候，該載流導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，這個(gè)電動(dòng)勢就叫做霍爾電動(dòng)勢，而這種現象就是霍爾效應?；魻栃獜陌l(fā)現至今100多年的時(shí)間，經(jīng)歷了三個(gè)階段：階段，由于沒(méi)有得到充分的重視，應用價(jià)值不大，基本處于停頓狀態(tài)；第二階段，隨著(zhù)半導體材料的廣泛應用，推動(dòng)了霍爾元件的應用；第三階段，隨著(zhù)集成電路的快速發(fā)展，人們開(kāi)始將霍爾元件進(jìn)行集成，形成霍爾傳感器，并實(shí)現了工業(yè)化，目得以廣泛的應用。
 
1.3霍爾元件
霍爾元件是在發(fā)現霍爾效應的基礎上發(fā)展起來(lái)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(jìn)行制作形成的，具有體積小、性能高、成本低等顯著(zhù)點(diǎn)，廣泛應用于計算機、自動(dòng)化、測量等領(lǐng)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的變化情況。一般情況下，霍爾元件分為霍爾線(xiàn)性器件和霍爾開(kāi)：關(guān)器件兩種類(lèi)型?；魻柧€(xiàn)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?；魻栭_(kāi)關(guān)器件根據感應方式的不同分為單極性、雙極性和全極性三種類(lèi)型，主要用于輸出數字量。如果在運行過(guò)程中霍爾元件測量得到不同的電阻值，會(huì )導致磁場(chǎng)產(chǎn)生的電阻也不穩定。因此，為了保證霍爾：元件的高效運行，在使用期裝置時(shí)，應配置一個(gè)與磁場(chǎng)運行系統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，并且能夠對整個(gè)傳感器系統進(jìn)行調節，包括電流和電阻的調節。根據霍爾元件分類(lèi)的不同，霍爾傳感器同樣分為線(xiàn)型傳感器和開(kāi)關(guān)傳感器兩種類(lèi)型。線(xiàn)型霍爾傳感器輸出的電壓與磁場(chǎng)強度在一定的磁感應強度范圍內呈線(xiàn)性關(guān)系，一般適應于電流和電壓等參數的測量；開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器主要輸出數字量，具有無(wú)磨損、無(wú)抖動(dòng)、精度高、輸出波形清晰等顯著(zhù)點(diǎn)。由于霍爾傳感器中的霍爾元件能夠在恒定的磁場(chǎng)系統中進(jìn)行轉動(dòng)。因此，霍爾電動(dòng)勢可以直觀(guān)的反映霍爾傳感器運行過(guò)程中的轉角參數變化的狀況。
 
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、高穩定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等顯著(zhù)點(diǎn)，廣泛應用于汽車(chē)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、轉速等參數的測量，具體內容如下：
 
2.1對電力儀表電流的測量
電力儀表運行時(shí)的電流參數的測定，需要霍爾傳感器按如下方法實(shí)現：首先，在測量電流時(shí)，將通電的導線(xiàn)置于安裝有霍爾元件的整個(gè)磁場(chǎng)運行系統中。在此條件下，電力儀表運行過(guò)程中會(huì )有一定的電流通過(guò)導線(xiàn)，在磁場(chǎng)運行系統中的霍爾元件便會(huì )產(chǎn)生一定的電壓信號。如果測量區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)運行系統中相對應的電壓信號勢必會(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到電壓信號的變化，并通過(guò)放大器裝置對其進(jìn)行二次整流和放大后，獲得電流值大小，即完成電流的測量任務(wù)。
 
2.2對電力儀表壓力的測量
電力儀表運行時(shí)的油壓等壓力參數測定的實(shí)現，其關(guān)鍵點(diǎn)在于電力儀表運行時(shí)，霍爾傳感器裝置能夠將運行過(guò)程中出現的非電量信號轉變?yōu)殡娏啃盘?。使用霍爾傳感器對電力儀表的壓力參數進(jìn)行測量時(shí)，需要按如下方法實(shí)現：首先，將霍爾傳感器的各部分元件固定在電儀儀表系統中的彈性薄膜、波爾登管等彈性元件的一側。在電力儀表運行過(guò)程中，系統中的彈性元件會(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 )對霍爾元件的位置產(chǎn)生作用，使其在具有線(xiàn)性變化的磁場(chǎng)中進(jìn)行有規律的移動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生并且輸出與此規律性移動(dòng)相對應的霍爾電動(dòng)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的檢測。同時(shí)，由于當我國在此方面的技術(shù)條件還不夠成熟。因此，目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對電力儀表轉速的測量
電力儀表運行時(shí)的轉速參數的測定，需要霍爾傳感器按如下方法實(shí)現：首先，將一個(gè)能夠獨立運行的圓盤(pán)裝置置于待測轉速的轉軸之中。同時(shí)，這個(gè)圓盤(pán)裝置要盡可能的靠近霍爾傳感器裝置及其所處的磁場(chǎng)運行系統中。在磁場(chǎng)系統運行過(guò)程中，圓盤(pán)裝置會(huì )通過(guò)自身的轉動(dòng)作用使其磁阻參數隨著(zhù)氣隙的變化劇樣產(chǎn)生周期性的變化?；魻杺鞲衅髦阅軌驅﹄娏x表的轉速參數進(jìn)行測量，主要通過(guò)以下兩種方式實(shí)現：，在增設的嘲盤(pán)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。在轉動(dòng)圓盤(pán)裝置的過(guò)程中，粘貼的小磁鋼裝置會(huì )轉動(dòng)到霍爾傳感器附近，并輸出相應的磁脈沖信號。第二，在增設的圓盤(pán)裝置背面粘貼一個(gè)小磁鋼裝置，并且同時(shí)接近正在轉動(dòng)的齒輪裝置。在齒輪裝置轉動(dòng)的過(guò)程中，會(huì )同時(shí)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(guò)放大器裝置對其進(jìn)行二次整流和放大后，可以實(shí)現對電力儀表轉速的測量工作。
 
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換，通過(guò)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(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過(guò)載能力強，線(xiàn)性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動(dòng)、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。
 
3.2產(chǎn)品選型
3.2.1開(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表1
 
 
3.2.2閉口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表2
 
3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
 

表3
3.2.4直流漏電流傳感器

表4
 
4結束語(yǔ)
綜上所述，霍爾傳感器作為檢測的基本工具，能夠將被測非電量參數轉化為電量參數，實(shí)現對不同過(guò)程的控制。由于雀爾傳感器本身具有高靈敏性、高穩定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等顯著(zhù)點(diǎn)，不僅在汽車(chē)工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等領(lǐng)域應用廣泛，而且對電力儀表運行過(guò)程中電流、壓力、轉速等參數的測量也表現出良好的應用價(jià)值和潛在勢。因此，通過(guò)本文對霍爾傳感器概況的分析和在電力儀表領(lǐng)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(jià)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