霍尔传感器的优点及用途-霍尔电流传感器磁饱和原理
时间:2017-02-21 10:28 来源:未知 作者:admin 点击:次
| 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。那么霍尔传感器的工作原理是什么？这种传感器都有哪些优点？主要参数有哪些？本文将一一解答。 （霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。） 通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小。 霍尔传感器的优点及用途 许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。 采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。 例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。 目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40℃到零上150℃范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波 原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9600Vrms； 精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量；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）。 宽带宽：高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs；但是，电压传感器带宽较窄，一般在15kHz以内，6400Vrms的高压电压传感器上升时间约500uS，带宽约700Hz。 测量范围广泛：电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。 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。 上图即是一种典型的霍尔传感器实现定位应用---一个轮上的两个磁铁经过霍尔效应传感器。图示中的轮子，带有两个等距的磁铁，传感器上的电压在一个周期内将两次达到峰值。 通常被用于计量车轮和轴的速度，例如在内燃机点火定时（正时）或转速表上。其在无刷直流电动机的使用，用来检测永磁铁的位置。 霍尔传感器广泛应用在变频调速装置、逆变装置、ups电源、通信 电源、电焊机、电力机车、变电站、数控机床、电解电镀、微机监测、电网监测等需要隔离检测电流的设施中以及新兴的太阳能、风能和地铁轨道信号、汽车电子等领域。 霍尔传感器的主要特性参数 前面介绍过了霍尔传感器是一种根据霍尔效应制作的磁场传感器，它的主要特性参数有以下几类。 （1）输入电阻R 霍尔传感器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，最终引起霍尔传感器电势变化。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 两个霍尔传感器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---霍尔传感器参数 由于霍尔传感器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，从而引起霍尔传感器屯势的温漂增大，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---霍尔传感器参数 磁感应强度超过BM时，霍尔传感器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）霍尔传感器屯势温度系数 6M的数值一般为零点刀霍尔传感器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，霍尔传感器电势变化的百分数弱为霍尔传感器电势温度系数，它与霍尔传感器元件的材料有关。 霍尔电流传感器磁饱和原理 霍尔电流传感器包括开环式和闭环式两种。 1、开环式霍尔电流传感器也称直放式霍尔电流传感器，其工作原理如下图：
当原边电流IP流过一根长导线时，在环形磁芯中产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压VS按比例的反映原边电流IP。 由于环形磁芯中的磁感应强度与原边电流成正比，只要原边电流足够大，环形磁芯必然饱和。 2、闭环式霍尔电流传感器也称零磁通互感器或磁平衡电流传感器，其工作原理如下图：
原边电流Ip在磁芯中所产生的磁场通过副边补偿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，其补偿电流Is按比例的反映原边电流Ip。 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磁芯聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，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，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。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。 因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。 闭环式霍尔电流传感器正常工作时，其一次绕组和二次绕组的磁通互相抵消，达到磁平衡，磁芯中的实际磁通为零。但是，这只是理想情况。实际的传感器，由电子电路构成的二次绕组的输出电流能力总是有限的，当一次过载时，若二次输出受限，实际输出电流比理论电流小，磁平衡被打破，只要一次电流继续增大，铁芯就会饱和。 不论是哪种霍尔电流传感器，磁芯发生磁饱和后，可能导致剩磁，而霍尔传感器的输出与磁芯的磁通有关，因此，磁饱和后的霍尔电流传感器，在一次没有输入的情况下，也会有一定直流信号的输出。 (责任编辑：admin) |
