霍爾效應

　　在半導體薄片兩端通以控制電流I，並在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直於電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓

霍爾元件

　　根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

霍爾傳感器的分類

　　霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。　　（一）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。　　（二）開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。

理論基礎

　　流體中的霍爾效應是研究“磁流體發電”的理論基礎。　　1）電流傳感器必須根據被測電流的額定有效值適當選用不同的規格的產品。被測電流長時間超額，會損壞末極功放管（指磁補償式），一般情況下，2倍的過載電流持續時間不得超過1分鐘。　　（2）電壓傳感器必須按產品說明在原邊串入一個限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續時間不得超過1分鐘。　　（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當被測電流高於電流傳感器的額定值時，應選用相應大的傳感器；當被測電壓高於電壓傳感器的額定值時，應重新調整限流電阻。當被測電流低於額定值1/2以下時，為瞭得到最佳精度，可以使用多繞圈數的辦法。　　（4）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長期正常工作在1KV及以下交流系統和1.5KV及以下直流系統中，6KV的傳感器可以長期正常工作在2KV及以下交流系統和2.5KV及以下直流系統中，註意不要超壓使用。　　（5）在要求得到良好動態特性的裝置上使用時，最好用單根銅鋁母排並與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數，均會影響動態特性。　　（6）在大電流直流系統中使用時，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心產生較大剩磁，是值得註意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流並逐漸減小其值。　　（7）傳感器抗外磁場能力為：距離傳感器5～10cm一個超過傳感器原邊電流值2倍的電流，所產生的磁場乾擾可以抵抗。三相大電流佈線時，相間距離應大於5～10cm。　　（8）為瞭使傳感器工作在最佳測量狀態，應使用圖1－10介紹的簡易典型穩壓電源。　　（9）傳感器的磁飽和點和電路飽和點，使其有很強的過載能力，但過載能力是有時間限制的，試驗過載能力時，2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。　　（10）原邊電流母線溫度不得超過85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。　　霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。　　霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。取用瞭各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－55℃～150℃。　　按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關器件 。前者輸出模擬量，後者輸出數字量。　　按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

霍爾傳感器的特性

　　（一）線性型霍爾傳感器的特性　　輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁^[1]感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態。　　（二）開關型霍爾傳感器的特性　　如圖4所示，其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。　　當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變為高電平。Bop與BRP之間的滯後使開關動作更為可靠。　　另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如圖5所示。　　當磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消後，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。

霍爾傳感器的應用

　　（一）線性型霍爾傳感器主要用於一些物理量的測量。例如：　　1．電流傳感器　　由於通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合於大電流傳感。 霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，標準圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。　　2．位移測量　　如圖7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置於中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。　　如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖8所示，是按這一原理制成的力傳感器。　　二）開關型霍爾傳感器主要用於測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。　　1．測轉速或轉數　　如圖9所示，，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。　　如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規律地佈置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號的分佈可以測出車輛的運動速度。

霍爾傳感器使用註意事項

　　（1）為瞭得到較好的動態特性和靈敏度，必須註意原邊線圈和副邊線圈的耦合，要耦合得好，最好用單根導線且導線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑。　　（2）使用中當大的直流電流流過傳感器原邊線圈，且次級電路沒有接通電源|穩壓器或副邊開路，則其磁路被磁化，而產生剩磁，影響測量精度（故使用時要先接通電源和測量端M），發生這種情況時，要先進行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線圈中通一同樣等級大小的交流電流並逐漸減小其值。　　（3）在大多數場合，霍爾傳感器都具有很強的抗外磁場乾擾能力，一般在距離模塊5-10cm之間存在一個兩倍於工作電流Ip的電流所產生的磁場乾擾是可以忽略的，但當有更強的磁場乾擾時，要采取適當的措施來解決。通常方法有：　　① 調整模塊方向，使外磁場對模塊的影響最小；　　② 在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩；　　③ 選用帶雙霍爾元件或多霍爾元件的模塊電源維修；　　（4）測量的最佳精度是在額定值下得到的，當被測電流遠低於額定值時，要獲得最佳精度，原邊可使用多匝，即：IpNp=額定安匝數。另外，原邊饋線溫度不應超過80℃。　　霍爾傳感器的特點（與普通互感器比較）　　1、 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般隻適用於測量50Hz正弦波。　　2、 原邊電路與副邊電路之間完全電絕緣，絕緣電壓一般為2KV至12KV，特殊要求可達20KV至50KV。　　3、 精度高：在工作溫度區內精度優於1%，該精度適合於任何波形的測量。而普通互感器一般精度為3%至5%且適合50Hz正弦波形。　　4、線性度好：優於0.1%　　5、動態性能好：響應時間小於1μs跟蹤速度di/dt高於50A/μs　　6、霍爾傳感器模塊這種優異的動態性能為提高現代控制系統的性能提供瞭關鍵的基礎。與此相比普通的互感器響應時間為10-12ms，它已不能適應工作控制系統發展的需要。　　7、工作頻帶寬：在0-100kHz頻率范圍內精度為1%。在0－5kHz頻率范圍內精度為0.5%。　　8、測量范圍：霍爾傳感器模塊為系統產品，電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。　　9、過載能力強：當原邊電流超負荷，模塊達到飽和，可自動保護，即使過載電流是額定值的20倍時，模塊也不會損壞。　　10、模塊尺寸小，重量輕，易於安裝，它在系統中不會帶來任何損失。　　11、模塊的初級與次級之間的“電容”是很弱的，在很多應用中，共模電壓的各種影響通常可以忽略，當達到幾千伏/μs的高壓變化時，模塊有自身屏蔽作用X光機維修。　　12、模塊的高靈敏度，使之能夠區分在“高分量”上的弱信號，例如：在幾百安的直流分量上區分出幾毫安的交流分量。　　13、可靠性高：失效率：λ=0.43╳10-6/小時　　14、抗外磁場乾擾能力強：在距模塊5-10cm處有一個兩倍於工作電流(2Ip)的電流所產生的磁場乾擾而引起的誤差小於0.5%，這對大多數應用，抗外磁場乾擾是足夠的，但對很強磁場的乾擾要采取適當的措施。