1、霍爾電壓傳感器原理及應用

霍爾電壓傳感器相對電磁式電壓互感器而言，具有體積小、重量輕、寬頻帶、交直流兩用等優(yōu)點，在工業(yè)測控領域得到了廣泛應用。

隨著電力電子技術的高速發(fā)展，變頻調(diào)速技術在電機驅(qū)動中應用越來越廣，對采用變頻調(diào)速技術的電機系統(tǒng)進行準確的能效計量檢測，既是對變頻調(diào)速技術節(jié)能效果的檢測，也是變頻調(diào)速技術科學、持續(xù)發(fā)展的基礎。而霍爾電壓傳感器是目前變頻器及風力發(fā)電機、交流牽引電機、電動汽車電機等變頻電機的檢試驗和能效計量檢測的主要測量裝置。本文旨在通過對霍爾電壓傳感器原理剖析，了解霍爾電壓傳感器的主要特點，并以此指導工程應用。

二霍爾電壓傳感器原理

如圖2所示，霍爾電壓傳感器主要包括初級線圈、磁環(huán)、次級線圈、放大電路及與初級線圈串聯(lián)的限流電阻R。拋開限流電阻R，剩余部分相當于一個閉環(huán)霍爾電流傳感器。不同之處在于該傳感器的初級電流非常小，一般為毫安級。

直觀分析：小信號測量難度大，測量精度低，因此，同樣基于霍爾效應的霍爾電壓傳感器的性能遠遠低于霍爾電流傳感器。

圖 霍爾電壓傳感器原理

顯然，初級線圈的電流越大，電阻R的功率越大。過大的電流會帶來如下的弊端：

◆傳感器消耗較大功率，并對被測回路造成影響;

◆電阻發(fā)熱量大，溫度高，溫漂對測量精度的影響大;

◆為了散發(fā)這些熱量，必然增大霍爾電壓傳感器的體積，同時對絕緣不利。

上述原因決定了實際霍爾電壓傳感器的輸入限流電阻較大，并且，測試電壓越高，其阻值越大。

三霍爾電壓傳感器特點

上節(jié)分析了霍爾電壓傳感器原理，我們知道霍爾電壓傳感器的輸入有一個阻值較大的電阻，且一次繞組的匝數(shù)較大。

客觀世界中，不存在理想的電阻元件，因為電阻元件本身具有一定的形狀和體積，必然造成其附加的電感和電容，此外，環(huán)境的分布電感和分布電容也對電阻元件起到一定的影響。如圖3所示，電阻元件可以等效為電阻R與電感L串聯(lián)后再與電容C并聯(lián)。

霍爾電壓傳感器串聯(lián)的電阻元件的等效電路

中電阻元件的阻抗為：

上式中，Re和Xe分別為等效電阻的分量和等效電抗分量。

由于L、C一般較小，1/LC較大，在ω2<<1/LC時和ω<<1/RC，上式可簡化為：

一般而言，由于L很小，第一項可忽略。對于第二項，當RC較小時，非常接近R。然而，當R較大時，RC不可忽略。

當RC相對ω不可忽略時，第二項對霍爾電壓傳感器的精度和帶寬都有較大的影響。

由此得出第一個結(jié)論：采用相同技術時，輸入電阻越大，分布參數(shù)對霍爾電壓傳感器的帶寬影響越大。

通過分析霍爾電壓傳感器原理，我們知道，霍爾電壓傳感器初級線圈匝數(shù)較多。線圈匝數(shù)越多，其電感越大。正常情況下，多匝線圈呈現(xiàn)明顯的感性，不適宜用于交流電壓測試。但是，從霍爾電壓傳感器原理分析可知，霍爾電壓傳感器正常工作時，在補償繞組磁場的作用下，霍爾元件處的磁感應強度為零。假如初級線圈內(nèi)部及外部處處磁感應強度為零，那么，線圈實際上的等效電感為零。這是霍爾電壓傳感器適合交流電壓測試且一般具備較寬頻帶的重要原因之一。

然而，初級線圈和補償線圈不可能完全重合，初級線圈內(nèi)部和附近不可能磁場處處為零，存在磁場，就必然對電流的變化起到影響，并對霍爾電壓傳感器的帶寬造成一定的影響。

為了使霍爾元件具有足夠的靈敏度，霍爾電壓傳感器的初級電流越小，需要的匝數(shù)越多。匝數(shù)越多，霍爾電壓傳感器帶寬越窄。

由此得出第二個結(jié)論：采用相同技術時，初級繞組匝數(shù)越多，對霍爾電壓傳感器的帶寬越大。

對于霍爾電壓傳感器而言，考慮到電流通過電阻會發(fā)熱，一般而言，被測電壓越高，限流電阻R越大，RC對霍爾電壓傳感器的影響也越大。被測電壓越高，初級線圈的電流越小，初級線圈的匝數(shù)越多。

這就是為何同一個廠家的霍爾電壓傳感器，隨著測試電壓的增高，帶寬逐步降低的主要原因。

四常用霍爾電壓傳感器的技術指標

下表為常用霍爾電壓傳感器及AnyWay的SP103501C型變頻功率傳感器的上升時間、精度及帶寬指標，由表可知，隨著測試電壓的升高，霍爾電壓傳感器的精度降低，且上升時間變大，帶寬變窄。

表1 常用霍爾電壓傳感器主要技術指標

注：由于目前大多霍爾電壓傳感器未公布帶寬指標，可依據(jù)經(jīng)驗公式BW=0.35/tr對帶寬進行估算。表中的帶寬就是依據(jù)此公式計算獲取。

表中所述霍爾電壓傳感器的精度及帶寬隨著被測變化趨勢與第三節(jié)的分析相符。此外，表中所述6400V霍爾電壓傳感器的帶寬僅700Hz，用于交流電量時需要特別注意。

在變頻功率(通常也稱寬頻功率測量)測量中，目前的多數(shù)變頻功率分析儀可直接測量1kV以內(nèi)的電壓，霍爾電壓傳感器主要用于測量1kV以上的交流電壓，而1kV以上的霍爾電壓傳感器的精度較低、帶寬較窄，用戶在構建1kV以上高電壓變頻功率測試系統(tǒng)時需特別注意。

2、霍爾電壓傳感器的優(yōu)勢及應用領域

霍爾器件的應用與我們的日常生活也息息相關，霍爾電壓傳感器相對電磁式電壓互感器而言，具有體積小、重量輕、寬頻帶、交直流兩用等特點，在工業(yè)測控領域得到了廣泛應用。為幫助大家深入了解，本文將對霍爾電壓傳感器的相關知識予以匯總。如果您對本文即將要涉及的內(nèi)容感興趣的話，那就繼續(xù)往下閱讀吧。

霍爾電壓傳感器的優(yōu)勢

(1)非接觸檢測。在進口設備的再改造中，以及老舊設備的技術改造中，顯示出非接觸測量的優(yōu)越性;原有設備的電氣接線不用絲毫改動就可以測得電流的數(shù)值。

(2)使用分流器的弊端是不能電隔離，且還有插入損耗，電流越大，損耗越大，體積也越大，人們還發(fā)現(xiàn)分流器在檢測高頻大電流時帶有不可避免的電感性，不能真實傳遞被測電流波形，更不能真實傳遞非正弦波型。電流傳感器完全消除了分流器以上的種種弊端，且精度和輸出電壓值可以和分流器做的一樣，如精度0.5、1.0級，輸出電壓50、75mV和100mV均可。

(3)使用非常方便，取一只LT100-C型電流傳感器，在M端與電源零端串入一只100mA的模擬表頭或數(shù)字萬用表，接上工作電源，將傳感器套在電線回路上，即可準確顯示主回路0～100A電流值。

傳感器的功能不同其接法也有些不同，在使用霍爾電壓傳感器的時候，必須要正確的接線，否則肯定會出現(xiàn)故障。

霍爾電壓傳感器的接線方法

1、交流兩線型：直接接在控制回路一根接電源一根接負載

2、交流多線型：兩根接電源兩根接負載，要看是常開還是常閉，也就是兩根電源線兩根控制線，還有的是一長開一長閉的。

3、直流兩線型：黑色接[或藍色]負極紅色[或棕色]接負載

4、直流三線型：分PNP和NPN型，黑色接[或藍色]負極紅色[或棕色]接正極，色[或黑色]接負載，還有的是一長開一長閉的PNP反饋正極NPN反饋負極。

霍爾電壓傳感器應用領域

需要電壓測量的場合很多，因為霍爾電壓傳感器的特點是既能測量交流又能測量直流，所以應用的場合比較多，在大功率原件得到應用的今天，霍爾原理的電壓傳感器與霍爾電流傳感器一起同IGBT等開關功率器件共同構成了電力電子的核心，在UPS，風電，鐵路，光伏，整流，電鍍等各行各業(yè)都有著廣泛的應用。

3、霍爾傳感器工作原理

霍爾效應在1879年被E.H.

霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場和感應電壓之間的關系，這種效應和傳統(tǒng)的感應效果完全不同。當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產(chǎn)生一個垂直于電子運動方向上的的作用力，從而在導體的兩端產(chǎn)生電壓差。

霍爾電流傳感器是利用霍爾效應將一次大電流變換為二次微小電壓信號的傳感器。實際設計的霍爾傳感器往往通過運算放大器等電路，將微弱的電壓信號放大為標準電壓或電流信號。

上述原理制作而成的霍爾電流傳感器，被稱為【開環(huán)式霍爾電流傳感器】。

后人為了提高傳感器性能，又稍作了改造，就是利用一個補償繞組產(chǎn)生磁場，通過閉環(huán)控制，使其與被測電流產(chǎn)生的磁場大小相等，方向相反，達到互相抵消的效果，此時，補償繞組中的電流正比與被測電流的大小，這種傳感器，被稱為【閉環(huán)式或磁平衡式霍爾電流傳感器】。

4、霍爾傳感器的電壓是怎么調(diào)的？

SS95A型集成霍爾傳感器，工作電流即芯片的功耗，這個是芯片本身決定的。要增加工作電流，就需要增加供電電壓，但這種線性霍爾傳感器一般都是在5V應用的，沒必要增加電壓。如果電壓有波動的情況下，如果該傳感器工作電流增大些，對其靈敏度肯定是有一定影響的。

霍爾傳感器分類是線型霍爾傳感器，是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。其用途是力測量；子類為霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器。工作原理是霍爾效應?；魻栃谴烹娦囊环N,這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應,而半導體的霍爾效應比金屬強得多,利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面?；魻栃茄芯堪雽w材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù),能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

霍爾效應傳感器包括：1-霍爾半導體元件 2-永久磁鐵 3-擋隔磁力線的葉片。

霍爾傳感器工作原理磁場中有一個霍爾半導體片，恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導體時向一側(cè)偏移，使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差,這就是所謂的霍爾電壓。

霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高；磁場越弱，電壓越低?；魻栯妷褐岛苄?，通常只有幾個毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁場強度。

方法是可以用一個轉(zhuǎn)動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅(qū)動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片作用于點火正時傳感器?；魻栃獋鞲衅鲗儆诒粍有蛡鞲衅?，有外加電源才能工作，這一特點使其能檢測轉(zhuǎn)速低的運轉(zhuǎn)情況。

5、集成霍爾傳感器在實驗中起什么作用？

集成霍爾傳感器實驗中補償電壓的作用，具體如下：

消除由愛廷豪森效應，里紀-勒杜克效應和能斯脫效應這些熱磁效應產(chǎn)生的疊加溫差電動勢，還有使用霍爾原件時存在的不等位電動勢引起的誤差。

補充：

霍爾傳感器是磁敏集成電路，在磁鐵的作用下輸出數(shù)字電壓信號?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃谴烹娦囊环N，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)的。

中國科學家發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?/span>

《科學》雜志在線發(fā)文，宣布中國科學家領銜的團隊首次在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)π畔⒓夹g進步產(chǎn)生重大影響。

這一發(fā)現(xiàn)由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤(原曲阜師范大學物理工程學院教師）領銜，清華大學、中國科學院物理所和斯坦福大學的研究人員聯(lián)合組成的團隊歷時4年完成。

在美國物理學家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?33年后，終于實現(xiàn)了反?；魻栃牧孔踊?，這一發(fā)現(xiàn)是相關領域的重大突破，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。

美國科學家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應和反?；魻栃?980年，德國科學家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應，1982年，美國科學家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

6、霍爾電壓是多少呢？

5-24V。

不同霍爾傳感器的溫度特性不一樣，如inas材料的傳感器溫度升高，輸出電壓變化平穩(wěn)，基本是增大的；而insb材料的傳感器則恰恰相反，隨溫度生高，輸出電壓是降低的。

以A3144e為例：

工作電壓 24V。

輸出反向擊穿電壓Vce50V。

輸出低電平電流IOL50mA。

工作環(huán)境溫度TAE檔：-20～85℃，L檔: -40～150℃。

貯存溫度范圍TS65～150 ℃。

霍爾電壓傳感器因為是基于霍爾閉環(huán)零磁通原理，所以可以測量直流電壓，交流電壓和混合波形的電壓。此特點區(qū)別于電磁隔離原理的電壓互感器，電壓互感器只能測量交流電壓信號。

因為是基于磁平衡霍爾原理，需要原邊匹配一個內(nèi)置或外置電阻，該電阻隨著測量的電壓量程增大，需要的阻值和功率也相應增大，甚至需要加散熱片。因為原邊采用多匝繞組，故存在比較大的電感，一般響應速度不高，頻率范圍有限。