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霍尔传感器的工作原理、检测方法、特性参数及其优点用途

作者:时间:2017-10-11来源:网络收藏

  霍尔是基于霍尔效应的一种磁敏。将通有电流的物体放在磁场中,如果电流方向与磁场方向互相垂直,则在与磁场和电流方向都垂直的方向上会产生横向电势差,这个现象称为霍尔效应,产生的电势差称为霍尔电压。采用产生霍尔效应显著的半导体材料制成霍尔器件,作为霍尔中的磁电转换元件,可以进行电磁测量,如测量磁场、电流、电功率等磁物理量和电量。霍尔还可以利用磁场作为媒介,对很多物理量实现非接触式测量,通过转换测量力、位移、振动、加速度、转速、流量等非电量,广泛应用于工业、交通、通信、自动控制、家用电器等各个领域。

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

  

  霍尔的工作原理

  霍尔电流是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式,即磁平衡式和直式。霍尔电流一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、(次级线圈)和放大电路等组成。

  直放式电流(开环式)

  众所周知,当电流通过一根长导线时,在导线周围将产生一磁场,这一磁场的大小与流过导线的电流成正比,它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出,一般的

  额定输出标定为4V。

  磁平衡式电流(闭环式)

  磁平衡式电流也称补偿式,即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈,电流所产生的磁场进行补偿, 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

  磁平衡式电流的具体工作过程为:当主回路有一电流通过时,在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上, 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通,从而获得一个补偿电流Is。 这一电流再通过多匝绕组产生磁场 ,该磁场与被测电流产生的磁场正好相反,因而补偿了原来的磁场, 使霍尔器件的输

  出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘 所产生的磁场相等时,Is不再增加,这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ,此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。 一旦磁场失去平衡,霍尔器件就有信号输出。经功率放大后,立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡,所需的时间理论上不到1μs,这是一个动态平衡的过程。

  磁场中有一个霍尔半导体片,恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下,I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移,使该片在CD方向上产生电位差,这就是所谓的霍尔电压。

  霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低,霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用,需要用机械的方法来改变磁感应强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关,当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时,磁场偏离集成片,霍尔电压消失。这样,霍尔集成电路的输出电压的变化,就能表示出叶轮驱动轴的某一位置,利用这一工作原理,可将霍尔集成电路片用作用点火正时。霍尔效应属于被动型,它要有外加电源才能工作,这一特点使它能检测转速低的运转情况。

  

  1-霍尔半导体元件 2-永久磁铁 3-挡隔磁力线的叶片

  霍尔的主要特性参数

  前面介绍过了霍尔是一种根据霍尔效应制作的磁场,它的主要特性参数有以下几类。

  (1)输入电阻R

  霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几欧到儿百欧,视不同型号的元件而定。

  温度升高,输入电阻变小,从而使输入电流变大,最终引起霍尔电势变化。为了减少这种影响,最好采用恒流源作为激励源。

  (2)输出电阻R

  两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻,它的数位与输入电阻同一数量级。它也随温度改变顺改变。选择适当的负载电阻易与之匹配,可以使由温度引起的程水电势的漂移减至最小。

  (3)最大激励电流I---霍尔参数

  由于霍尔电势随激励电流的增大而增大,故在应用中总希望选用较大的激励电流1M但激励电流增大,程尔元件的功耗增大,元件的温皮升高,从而引起霍尔屯势的温漂增大,因此每种型号的几件均规定了相应的最大激励电流,它的数值从几毫安至几百毫安。

  (4)灵敏度K

  灵敏度KH=EH/IB,它的数值约为10MV(MA.T)左右。

  (5)最大磁感应强度BM---霍尔参数

  磁感应强度超过BM时,霍尔电势的非线性误差将明显增大,特斯捡(T)成几千高斯(Gs)(1Gs=104T)。

  (6)个等位电势

  在额定激励电流F,当外加磁场为零时它是由于4个屯极的几何尺寸不对称引起的误差。

  (7)霍尔屯势温度系数

  6M的数值一般为零点刀霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势,使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起日在一定磁感应强度和激励电流的作用下,温度每变化1摄氏度时,霍尔电势变化的百分数弱为霍尔电势温度系数,它与霍尔元件的材料有关。

  

  霍尔的检测

  电流是检测用电线路电流的一件电气件,它输出的信号根据不同的需要场合,送入其它的执行电路,进一步显示电流值和控制其它电器。

  电流主要特性参数

  1、标准额定值和额定输出电流

  标准额定值的大小与产品的型号有关。 电流额定输出电流,一般为10~400mA。

  2、 偏移电流

  偏移电流也叫残余电流或剩余电流,它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成。

  3、 线性度

  线性度决定了输出信号(副边电流IS)与输入信号(原边电流IP)在测量范围内成正比的程度。

  4、 温度漂移

  5、 过载

  电流的过载能力是指发生电流过载时,在测量范围之外,原边电流仍会增加,而且过载电流的持续时间可能很短,而过载值有可能超过的允许值,过载电流值一般测量不出来,但不会对造成损坏。

  6、 精度

  电流的精度取决于标准额定电流。评定精度时还必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。

  如你是使用者,注意规格型号就可以了。

  

  霍尔的优点及其用途

  在科学实验和工业应用的很多场合,需要对电流和电压进行测量和控制,特别是在一些需要对大电流和高电压测量和控制以及对所测电流和电压要求较高精确度的情况下,需要使用安全、方便可靠精确度较高的电流电压。早期,人们采用分流器和分压器的方法来实现对电流和电压的检测,但这种方法无法对主回路进行隔离测量,这种方法使用不安全、精确度低。后来人们又发明了互感器,它与直接分流、分压的方法相比,实现了主回路进行隔离检测,无疑是一大进步,但它的应用范围比较窄,只适用于50Hz 正弦波的工频检测,对于其它波形电流、电压的测量它就无能为力了。

  随着电力电子技术的发展,原有的电流检测元件(如分流器、互感器)已不能满足中、高频,高di/dt,宽频谱电流波形的传递,霍尔电流电压是弥补这一空缺的、有着广泛应用范围和前景的主要检测元件。霍尔电流电压与普通互感器相比有着下面的特点:

  1. 测量范围广:它可以测量任意波形的电流和电压,如直流、交流、脉冲、三角波形等,甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映;

  2. 响应速度快:最快者响应时间只为1us。

  3. 测量精度高:其测量精度优于1%,该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性元件,接入后影响被测信号波形,其一般精度为3%~5%,且只适合于50Hz 正弦波形。

  4. 线性度好:优于0.2%

  5. 动态性能好:响应时间快,可小于1us;普通互感器的响应时间为10~20ms。

  6. 工作频带宽:在0~100KHz 频率范围内的信号均可以测量。

  7. 可靠性高,平均无故障工作时间长:平均无故障时间》5 10 小时

  8. 过载能力强、测量范围大:0---几十安培~上万安培

  9. 体积小、重量轻、易于安装。

  由于霍尔电流电压以上的优点,故而可广泛应用与变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中。霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

  霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。

  按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。

  位移测量

  两块永久磁铁同极性相对放置,将线性型霍尔置于中间,其磁感应强度为零,这个点可作为位移的零点,当霍尔在Z轴上作△Z位移时,有一个电压输出,电压大小与位移大小成正比。

  力测量

  如果把拉力、压力等参数变成位移,便可测出拉力及压力的大小,按这一原理可制成的力

  角速度测量

  在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢,霍尔放在靠近圆盘边缘处,圆盘旋转一周,霍尔就输出一个脉冲,从而可测出转数(计数器),若接入频率计,便可测出转速。

  线速度测量

  如果把开关型霍尔按预定位置有规律地布置在轨道上,当装在运动车辆上的永磁体经过它时,可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。



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