霍尔电流传感器典型应用电路

4．7．1　霍尔传感器

1）基本原理

霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。

如图4．36所示，在半导体薄片上垂直加磁场B，并在半导体的两端（1，2端）通以电流I_C，此时移动着的载流子在磁场作用下将受到洛伦兹力的作用。洛伦兹力改变载流子的运动方向，使它们积聚在半导体两端（3，4端）形成静电场，这种静电场对载流子施加一电场力f_E，当f_E＝f_B时，载流子的端面积聚达到动平衡，载流子的运动方向将不偏移，这时在两端面3和4之间建立了一个稳定的霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势u_H，即

图4．36　霍尔效应原理

式中：R_H为霍尔系数；δ为元件厚度；B为磁通密度。

这一效应称为霍尔效应。利用霍尔效应，能很方便地测量磁通密度B。只要输入控制电流I_C，并保持电流为常值，通过测量霍尔电势的大小就可测定B。

由式（4．37）可知，当控制电流I_C反向时，霍尔电势的方向也随之变化。当磁场B方向变化时，输出电势也同时交换方向。因此，霍尔效应不但能测量直流磁场，也能测量交流磁场。实际上，当测量磁场时，不论测量的是交流磁场还是直流磁场，都希望输出信号是交流电势，这是由于交流电压易于放大和传递。因此，在测量直流磁场时，往往不加直流电流I_C，而是加交流电流。同频率的交流电势，其幅值与直流磁场B的幅值成正比。当测量交变磁场时，则用直流控制电流I_C，输出霍尔电势u_H是与交变磁场同频率的交流电势，且其幅值和交变磁场的幅值成正比。

2）特点和选用

由于霍尔元件对磁场敏感，因此，可以隔离检测。霍尔元件还具有结构简单、体积小、频响宽、动态范围大（输出电势的变化大）、无活动部件、使用寿命长等优点。在测量技术、自动化技术和信息处理等领域得到广泛应用。

在式（4．37）中，3个参数u_H、I_C、B可任意保持一个参数不变，而将另外两个参数分别作为输入信号与输出信号；可以任取两个参数作为输入变量，而以另一个作为输出变量。因此，可灵活地制成各种类型的传感器和器件。

（1）霍尔传感器应用最广的一个方面是测定磁感应强度B，目前霍尔高斯计已得到广泛应用。此外，凡是能改变B数值的物理量，也都能用霍尔传感器进行测量。如图4．37所示，在极性相反、磁感应强度相同的两个磁钢的气隙中放置一块霍尔片，当控制电流I_C不变时，霍尔电势u_H与垂直霍尔元件的B成正比。因为与位置x有关，所以测定B就能确定x。类似这种应用方法，霍尔传感器能广泛用于测量电流、电压、位移、角位移、速度、加速度、压力、流量、液位、转速、振动等参数。

（2）利用霍尔电势u_H正比于控制电流I_C和磁感应强度B的乘积这一特点，在乘法器、函数发生器、功率计等方面也得到了广泛应用。

目前，常用的霍尔元件的材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）及砷化铟（InAs）等。在电路中，霍尔片一般可用两种符号来表示，如图4．38所示。国产霍尔元件用2个字母和1个数字来表示型号。例如：HZ -1表示锗材料制成的霍尔元件，第一个字母H代表霍尔元件，第二个字母代表材料（Z代表锗，T代表锑化铟，S代表砷化铟），最后一个数字表示产品序号。这几种材料特性各有不同，特别是温度特性相差较大，图4．39是4种材料的温度特性。由图可见，锑化铟元件受温度影响最大，因此，这种材料制成的霍尔传感器往往作为敏感元件而不作为测量元件。硅、砷化铟、锗的温度系数都较小，但输出电势也比较小，其中以砷化铟比较好，具有受温度影响小和线性度好的特点，因此，常在测量指示仪表中应用。另外，锗也有较好的性能。在不同的场合，要注意选用不同材料制成的霍尔传感器。

图4．37　霍尔位移传感器原理

图4．38　霍尔元件的符号和基本电路

图4．39　几种材料的霍尔电势温度特性

3）使用注意事项

（1）温度补偿

温度对霍尔元件影响较大，不但影响霍尔元件本身的内阻，也影响霍尔系数的大小。因此，要采取补偿措施。

①温度对内阻的影响：霍尔元件的输入电阻随温度的变化而变化。例如HZ -1型霍尔元件内阻的温度系数约为0．5%，若用恒压源供电，控制电流将随工作温度变化，给测量带来较大误差。消除这一误差的办法是采用恒流源供电。

②温度对霍尔系数的影响：霍尔系数R_H也会随温度的变化而变化，图4．39所示的霍尔电势随温度的变化实际上就是霍尔系数的变化引起的。锑化铟的温度系数达到1．5%，锗的温度系数较好，仅为0．04%左右。为减小温度误差常用的办法有：选用温度系数小的霍尔元件；控制电流I_C不要太大，以免霍尔元件发热；采用恒温装置；采用热敏电阻进行补偿，例如，对于锑化铟材料制造的元件，常采用热敏电阻进行补偿，其电路如图4．40所示，图4．40（a）为输入回路补偿，图中热敏电阻R_t为负温度系数热敏电阻，随温度增加其电阻相应减少，引起控制电流I_C的增加，正好抵消由于霍尔电势减小而引起的控制电流I_C的减小。图4．40（b）为输出回路补偿，它的原理和输入回路补偿相似。

图4．40　霍尔元件的温度补偿

（2）不等位电势的补偿

当外磁场为0、通入控制电流I_C时，霍尔元件的输出电势应为0。但由于制造工艺等原因，两个霍尔电势的输出极不可能绝对对称地焊接在霍尔片两侧（如图4．41所示），因此，当控制电流I_C流过霍尔片时，3和4两电极就不处于同一等位面上，这时虽无磁场，3和4端间也存在电势差，称为不等位电势。控制电流为直流时的一种不等位电势补偿电路如图4．42所示。调节电位器的位置，使补偿电压刚好与不等位电势相等且相反，达到无磁场时输出的霍尔电势为0。

图4．41　霍尔元件的不等电位形成霍尔电流、电压传感器

图4．42　霍尔元件的不等电位电势补偿

4）几种常用的霍尔传感器

（1）工作原理

在工业测量中常用的电压、电流传感器大多用到霍尔元件，下面以瑞士莱姆（LEM）公司生产的电压、电流传感器为例，对其工作原理作简要介绍。

①直测式霍尔电流传感器。图4．43（a）所示为直测式霍尔电流传感器原理图，原边电流I_P产生的磁通量聚集在磁路中，由霍尔元件检测出霍尔电势信号，经过放大器放大，该电压信号可以精确地反映原边电流。

（2）磁平衡霍尔电流传感器。图4．43（b）所示为磁平衡霍尔电流传感器原理图，原边电流I_P与霍尔电压经放大产生的副边电流I_S通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流I_S精确地反映原边电流。

（3）磁平衡霍尔电压传感器。图4．43（c）所示为磁平衡霍尔电压传感器原理图，原边电压U_P通过原边电阻R1转换为原边电流I_P，I_P产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流I_S通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流I_S精确地反映原边电压。

图4．43　霍尔电流、电压传感器原理

（2）使用注意事项

使用电流、电压传感器时，要注意其动、静态性能指标。电压、电流传感器的性能指标同第4．1节所述，其独特之处涉及部分电参数，这里以LEM公司生产的电压传感器LV28-P为例，其电参数有：原边额定有效电流I_N、原边电流测量范围I_P、测量电阻R_M、副边额定有效电流I_SN、转换率K_N、电源电压V_C等。转换率K_N可以理解为副边与原边电流之比。LV28-P的底板外形如图4．44（a）所示，其连接如图4．44（b）所示。

图4．44　LV28-P连接示意图

该传感器原边额定电流为10mA，在原边额定电流上，传感器精度最佳，因此应适当选择原边电阻R₁，以便测量与10mA的原边电流相应的电压。例如被测电压V_PN＝220V，选R₁＝25kΩ，则I_P＝8．8mA，该传感器的转换率K_N为2 500∶1 000，因此副边电流I_S＝22mA，副边测量电阻R_M使用手册推荐值为100～350Ω，这里可选R_M＝150kΩ，则副边电压V₂＝3．3V。电流传感器的使用与电压传感器类似，也要注意其电参数的范围。