霍尔传感器在电气仪表中的应用研究

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霍尔传感器在电气仪表中的应用研究 本文简介：[摘要]霍尔传感器由于具有灵敏度高、线性好、稳定性高、体积小和耐高温等的特性，已广泛应用于各个领域，本文从电气系统检测仪表方面入手，着重介绍了霍尔传感器在电气仪表中的几种应用。　　[关键词]霍尔效应霍尔传感器电气仪表　　0、引言　　霍尔传感器是利用霍尔效应将被测非电量转换为电量的一种传感器。传感器位

霍尔传感器在电气仪表中的应用研究 本文内容：

　　[摘要]霍尔传感器由于具有灵敏度高、线性好、稳定性高、体积小和耐高温等的特性，已广泛应用于各个领域，本文从电气系统检测仪表方面入手，着重介绍了霍尔传感器在电气仪表中的几种应用。

　　[关键词]霍尔效应霍尔传感器电气仪表

　　0、引言

　　霍尔传感器是利用霍尔效应将被测非电量转换为电量的一种传感器。传感器位于研究对象与测试系统之间，是获取与检测信息的窗口。它可以直接测量电流、电压或磁场及微位移量，也可以间接测量振动、压力、压差、加速度等参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，应用日益广泛。

　　1、霍尔效应和霍尔元件

　　霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场力、电场力作用的结果，置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间就会产生电动势，这种现象即霍尔效应，该电动势即为霍尔电动势。图1-1为一块长度为b、厚度为d的P型半导体，将它置于磁感应强度为B（z轴）的磁场中静止不动。当y轴方向有电流I流动时，设有一个负电子沿与I相反方向以速度υ运动，从而形成附加电场，称为霍尔电动势，即为

　　式中B――磁感应强度；I――电流；RH――霍尔常数；d――霍尔元件的厚度；α――v与B间方向夹角。

　　图1-1霍尔效应原理图

　　霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。用半导体材料和溅射工艺制成的霍尔元件，具有尺寸小，成本低，性能好的优点。由于霍尔元件是用半导体材料制成的，对温度的变化比较敏感，这会造成霍尔电压的内阻随温度变化。在工艺方面，若两个霍尔电压输出电极不在同一个等位面上以及材料电阻率不均，则会产生不等位电势。因此在使用霍尔元件时，应有相应的温度补偿电路和不等位电势的补偿电路，这可采用恒流驱动或恒压驱动来实现。将霍尔元件、放大器、补偿电路及稳压电源等集成在一个芯片上就成了霍尔传感器。

　　2、霍尔传感器的工作原理

　　2.1基本电路

　　霍尔传感器的基本电路如图1-2，控制电路由电源E供给，Rp为调节控制电流的大小的调节电阻，Rf为负载电阻。在磁场的作用下，负载上有电压输出。

　　图1-2霍尔传感器的基本电路

　　2.2.测量角位移α

　　霍尔元件与被测物体连动，霍尔元件在一个恒定的磁场中转动，因而霍尔电动势反映了转角的变化，这个变化是非线性的。

　　式中，α为B向量与控制电流I向量间的夹角。如将霍尔片的法向方向与B向量重合，则变换法向n即可得到不同α角，即获得不同的UH值。

　　2.3测量直线位移

　　式中，为c为积分常数。

　　当x＝0时，UH＝c≠0，为了克服此缺点，可利用由数值相等、方向相反的两个直流磁场共同形成一个高梯度的磁场而成的磁路系统。

　　设左边磁场为正，则输出由式(6-8)决定，而右边磁场为负，则输出为：

　　这样，当霍尔片处于中间位置x＝0时，UH＝0，且位移x的左右方向可由霍尔电势的极性来表示。当kH、I、d被确定以后，磁场梯度越大，灵敏度就越高；磁场梯度越均匀，输出线性越好。用霍尔元件制成的位移传感器一般可用来测量1～2mm的小位移，其特点是惯性小、响应速度快。

　　3、霍尔传感器在电气仪表上的应用

　　霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好、寿命长、耐高低温和耐冲击等的优点，它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量，在其它检测方面也得到了广泛应用。在非电量的测量时，只要通过弹性敏感元件转换成角位移或线位移，再送入霍尔元件进行变换，即可得到霍尔电动势的输出。

　　3.1测量转速

　　测量转速时，在被测转速的转轴上安装一个圆盘，将霍尔元件及磁路系统靠近圆盘，圆盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性的变化，霍尔元件输出的微小脉冲信号经整流、放大后即可决定被测物的转速。

　　3.2测量压力

　　测量压力时，比如油压，只要把这种非电量的信号转换成位移量的变化即可。首先把霍尔元件固定在弹性元件（如波尔登管或弹性薄膜）的一端，由于弹性元件受压力作用，产生位移时将带动霍尔元件，使其在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电动势。不过，由于弹性元件的弹性位移范围比较小，所以只能用于测量微小压力的变化。

　　3.3测量电流

　　测量电流时，使通电导线穿过安装有霍尔元件的磁场，当导线上有电流流过时，磁场中间的霍尔元件就会有电压信号产生，电流发生变化时，电压信号值也会随之发生变化，这种电压信号再经过整流、放大后即可得到相应电流值。

　　4、结束语

　　传感器是检测技术的必要工具，通过传感器可以把各种非电量转换成电量信号，从而达到控制的目的，因此，各个领域的研究几乎都离不开各种各样的传感器。而由于霍尔传感器自身的特性，使其在电气仪表中得到了广泛的应用，增强了传感器对环境条件的适应性，提高了仪表的工作可靠性。本文来自《仪表技术与传感器》杂志

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