基于霍尔传感器的电流测量

基于霍尔传感器的电流测量

一．霍尔效应

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。当带电

粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导

致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而

形成附加的横向电场。对于图一所示的半导体试样，若在X

方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样

A，A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电

场。电场的指向取决定于试样的电类型。显然，该电场是

阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力

eEH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，

故有⑴其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的

平均漂移速度。设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为

n，则⑵由⑴、⑵两式可得⑶即霍尔电压VH（A、A′电极之间的电压）与ISB乘积正比与试样厚度d成反比。比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出VH（伏）以及知道IIs（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式计算RH（厘米3/库仑）。

二．霍尔传感器

1.原理

由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：

Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；I为霍尔元件

的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。

对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流I 固定时，UH

将完全取决于被测的磁场强度B。一个霍尔元件一般

有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电

流I 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两

输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。在

半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U H的霍尔电压。

2.工作原理

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传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，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。

一．电流测量

1.开环式电流传感器测量

开环式霍尔电流传感器也称：直放式霍尔电流传感器、直检式霍尔电流传感器等。

如图，开环式霍尔电流传感器由磁芯、霍尔元件和放大电路构成。磁芯有一开口气隙，霍尔元件放置于气隙处。当原边导体流过电流时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，放大电路将该信号放大输出，该类传感器通常输出±10V左右的电压信号，也有部分传感器为了增强电磁兼容性，变换为电流信号输出。

2.闭环式电流传感器测量

闭环式霍尔电流传感器也称：零磁通霍尔电流传感器、零磁通互感器、磁平衡式霍尔电流传感器等。

如图，闭环式霍尔电流传感器包括磁芯、霍尔元件、放大电路和副边补偿绕组。与开环式霍尔电流传感器相比，闭环式霍尔电流传感器多了副边补偿绕组，正是副边补偿绕组，将闭环式霍尔电流传感器的性能进行了大幅度提升。

放大电路接受霍尔元件的输出，并放大为电流信号提供给副边补偿绕组，副边补偿绕组在磁芯中产生的磁场与原边电流产生的磁场在气隙处大小相等，方向相反，抵消原边磁场，形成负反馈闭环控制电路。

若副边电流过小，产生的磁场不足以抵消原边磁场，放大电路将输出更大的电流，反之，放大电路输出电流减小，从而维持气隙处的磁场平衡。

若原边电流发生变化，气隙处磁场平衡被破坏，负反馈闭环控制电路同样会调节副边输出电路，使磁场重新达到平衡。

宏观上讲，气隙处将一直维持零磁通，保持磁平衡，这也是零磁通互感器及磁平衡霍尔电流传感器名称的来由。

3.闭环式电流传感器与开环式电流传感器的主要区别

A、带宽区别

微观上讲，气隙处的磁场始终在零磁通附近变化，由于磁场变化幅度非常小，变化幅度小，变化的频率可以更快，因此，闭环式霍尔电流传感器具有很快的响应时间。实际的闭环式霍尔电流传感器带宽通常可以达到100kHz以上。而开环式霍尔电流传感器的带宽通常较窄，如：LEM公司的HAZ系列开环式霍尔电流传感器的带宽在3kHz左右。

B、精度区别

开环式霍尔电流传感器副边输出与磁芯气隙处的磁感应强度成正比，而磁芯由高导磁材料制作而成，非线性和磁滞效应是所有高导磁材料的固有特点，因此，开环式霍尔电流