霍爾傳感器在電氣儀表中的應(yīng)用

江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校 季建珍

霍爾傳感器在電氣儀表中的應(yīng)用

江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校 季建珍

隨著集成電路等領(lǐng)域的快速發(fā)展，霍爾傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。霍爾傳感器是一種以霍爾效應(yīng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，能夠?qū)⒈粶y(cè)非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)的傳感器裝置，具有高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)。目前霍爾傳感器已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等各個(gè)領(lǐng)域。本文分別從霍爾效應(yīng)、霍爾元件、霍爾傳感器三個(gè)方面對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并進(jìn)一步闡述了霍爾傳感器對(duì)電氣儀表的電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)測(cè)量的應(yīng)用情況，期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)方面的研究提供參考，最終提高霍爾傳感器的應(yīng)用價(jià)值。

霍爾效應(yīng)；霍爾元件；霍爾傳感器；電氣儀表；應(yīng)用

十九世紀(jì)七十年代，美國(guó)物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855-1938）在研究金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。目前，廣泛應(yīng)用于電氣儀表中的霍爾傳感器就是利用霍爾效應(yīng)制作的一種傳感器。霍爾傳感器是一種以霍爾效應(yīng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，能夠?qū)⒈粶y(cè)非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)的傳感器裝置，具有高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段，霍爾傳感器已經(jīng)由傳統(tǒng)的單個(gè)霍爾元件階段發(fā)展到集成電路階段，并廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等各個(gè)領(lǐng)域[1]。本文分別從霍爾效應(yīng)、霍爾元件、霍爾傳感器三個(gè)方面對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并進(jìn)一步闡述了霍爾傳感器對(duì)電氣儀表的電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)測(cè)量的應(yīng)用情況，期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)方面的研究提供參考，最終提高霍爾傳感器的應(yīng)用價(jià)值。

一、霍爾傳感器的基本概述

（一）霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是由于物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電荷受到磁場(chǎng)作用力和電場(chǎng)作用力的共同影響而產(chǎn)生的，屬于電磁效應(yīng)的一種現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)首先是在研究金屬導(dǎo)體的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)在半導(dǎo)體和導(dǎo)電流體中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，并且比金屬導(dǎo)體強(qiáng)的多。當(dāng)載流導(dǎo)體裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，并且置于磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中時(shí)，如果該導(dǎo)體的電流運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向不一致的時(shí)候，該載流導(dǎo)體裝置上平行于磁場(chǎng)方向和電流方向的兩個(gè)不同面之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，即電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)就叫做霍爾電動(dòng)勢(shì)，而這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)從發(fā)現(xiàn)至今100多年的時(shí)間，經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段，由于沒(méi)有得到充分的重視，應(yīng)用價(jià)值不大，基本處于停頓狀態(tài)；第二階段，隨著半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了霍爾元件的應(yīng)用；第三階段，隨著集成電路的快速發(fā)展，人們開(kāi)始將霍爾元件進(jìn)行集成，形成霍爾傳感器，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，目前得以廣泛的應(yīng)用[2]。

（二）霍爾元件

霍爾元件是在發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種特殊的磁敏感元件。它是以半導(dǎo)體為材料，選擇濺射工藝進(jìn)行制作形成的，具有體積小、性能高、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、測(cè)量等領(lǐng)域。由于半導(dǎo)體材料的使用，使霍爾元件的敏感性大幅度提高，能夠有效的感應(yīng)到溫度等參數(shù)的變化情況。一般情況下，霍爾元件分為霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件兩種類型。霍爾線性器件能夠直接檢測(cè)出受測(cè)體本身的磁特性，能夠輸出模擬信號(hào)，一般用于測(cè)量電流、電壓等參數(shù)。霍爾開(kāi)關(guān)器件根據(jù)感應(yīng)方式的不同分為單極性、雙極性和全極性三種類型，主要用于輸出數(shù)字量。如果在運(yùn)行過(guò)程中霍爾元件測(cè)量得到不同的電阻值，會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)產(chǎn)生的電阻也不穩(wěn)定。因此，為了保證霍爾元件的高效運(yùn)行，在使用期裝置時(shí)，應(yīng)配置一個(gè)與磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)補(bǔ)償電路和溫度補(bǔ)償電路。

（三）霍爾傳感器

霍爾傳感器是指基于霍爾效應(yīng)，將霍爾元件與補(bǔ)償電路、穩(wěn)壓電源、放大器等裝置集成在同一個(gè)芯片中形成的一種磁場(chǎng)傳感器。其中穩(wěn)壓電源能夠?yàn)榭刂齐娐诽峁┍匾碾娫粗С郑ＷC控制電路的正常運(yùn)行，并且能夠?qū)φ麄€(gè)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括電流和電阻的調(diào)節(jié)。根據(jù)霍爾元件分類的不同，霍爾傳感器同樣分為線型傳感器和開(kāi)關(guān)傳感器兩種類型。線型霍爾傳感器輸出的電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，一般適應(yīng)于電流和電壓等參數(shù)的測(cè)量；開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器主要輸出數(shù)字量，具有無(wú)磨損、無(wú)抖動(dòng)、精度高、輸出波形清晰等顯著優(yōu)點(diǎn)。由于霍爾傳感器中的霍爾元件能夠在恒定的磁場(chǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，霍爾電動(dòng)勢(shì)可以直觀的反映霍爾傳感器運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)角參數(shù)變化的狀況。

二、霍爾傳感器在電氣儀表中的應(yīng)用

霍爾傳感器由于其高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等各個(gè)領(lǐng)域。其中，在電氣儀表領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為突出[3]。霍爾傳感器在電氣儀表中的應(yīng)用主要包括電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量，具體內(nèi)容如下：

（一）對(duì)電氣儀表電流的測(cè)量

電氣儀表運(yùn)行時(shí)的電流參數(shù)的測(cè)定，需要霍爾傳感器按如下方法實(shí)現(xiàn)：首先，在測(cè)量電流時(shí)，將通電的導(dǎo)線置于安裝有霍爾元件的整個(gè)磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中。在此條件下，電氣儀表運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有一定的電流通過(guò)導(dǎo)線，在磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中的霍爾元件便會(huì)產(chǎn)生一定的電壓信號(hào)。如果測(cè)量區(qū)域中的霍爾傳感器的電流的大小和電流的流向發(fā)生變化，磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化。由于霍爾傳感器中有放大器裝置，這樣的變化波動(dòng)會(huì)同時(shí)促使傳感器裝置感應(yīng)到電壓信號(hào)的變化，并通過(guò)放大器裝置對(duì)其進(jìn)行二次整流和放大后，最終獲得電流值大小，即完成電流的測(cè)量任務(wù)[4]。

（二）對(duì)電氣儀表壓力的測(cè)量

電氣儀表運(yùn)行時(shí)的油壓等壓力參數(shù)測(cè)定的實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵點(diǎn)在于電氣儀表運(yùn)行時(shí)，霍爾傳感器裝置能夠?qū)⑦\(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏啃盘?hào)。使用霍爾傳感器對(duì)電氣儀表的壓力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要按如下方法實(shí)現(xiàn)：首先，將霍爾傳感器的各部分元件固定在電儀儀表系統(tǒng)中的彈性薄膜、波爾登管等彈性元件的一側(cè)。在電氣儀表運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)中的彈性元件會(huì)在壓力作用下產(chǎn)生一定的位置變化，而且這種位移變量同時(shí)會(huì)對(duì)霍爾元件的位置產(chǎn)生作用，使其在具有線性變化的磁場(chǎng)中進(jìn)行有規(guī)律的移動(dòng)，最終會(huì)產(chǎn)生并且輸出與此規(guī)律性移動(dòng)相對(duì)應(yīng)的霍爾電動(dòng)勢(shì)。但是，由于彈性薄膜、波爾登管等彈性元件的彈性位移變化范圍一般比較小，僅能夠支持變化范圍比較微小的參數(shù)的檢測(cè)。同時(shí)，由于當(dāng)前我國(guó)在此方面的技術(shù)條件還不夠成熟。因此，目前霍爾傳感器多用于電氣儀表中油壓等微小壓力的測(cè)量工作[5]。

（三）對(duì)電氣儀表轉(zhuǎn)速的測(cè)量

電氣儀表運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速參數(shù)的測(cè)定，需要霍爾傳感器按如下方法實(shí)現(xiàn)：首先，將一個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)行的圓盤裝置置于待測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸之中。同時(shí)，這個(gè)圓盤裝置要盡可能的靠近霍爾傳感器裝置及其所處的磁場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中。在磁場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，圓盤裝置會(huì)通過(guò)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)作用使其磁阻參數(shù)隨著氣隙的變化同樣產(chǎn)生周期性的變化。霍爾傳感器之所以能夠?qū)﹄姎鈨x表的轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，主要通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：第一，在增設(shè)的圓盤裝置外部邊緣粘貼一個(gè)小磁鋼裝置，并將霍爾傳感器裝置置于其附近。在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤裝置的過(guò)程中，粘貼的小磁鋼裝置會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器附近，并輸出相應(yīng)的磁脈沖信號(hào)。第二，在增設(shè)的圓盤裝置背面粘貼一個(gè)小磁鋼裝置，并且同時(shí)接近正在轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪裝置。在齒輪裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)同時(shí)引發(fā)霍爾傳感器的磁感應(yīng)狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的磁脈沖信號(hào)。以上兩種方式輸出的脈沖信號(hào)，通過(guò)放大器裝置對(duì)其進(jìn)行二次整流和放大后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣儀表轉(zhuǎn)速的測(cè)量工作[6]。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，霍爾傳感器作為檢測(cè)的基本工具，能夠?qū)⒈粶y(cè)非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同過(guò)程的控制。由于霍爾傳感器本身具有高靈敏性、高穩(wěn)定性、耐高溫、體積小、抗沖擊性等顯著優(yōu)點(diǎn)，不僅在汽車工業(yè)、自動(dòng)化、信息處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且對(duì)電氣儀表運(yùn)行過(guò)程中電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值和潛在優(yōu)勢(shì)。因此，通過(guò)本文對(duì)霍爾傳感器概況的分析和在電氣儀表領(lǐng)域的應(yīng)用分析，期望能夠?yàn)橄嚓P(guān)方面的研究提供參考，最終提高霍爾傳感器的應(yīng)用價(jià)值。

[1]白韶紅．集成霍爾傳感器的發(fā)展[J]．自動(dòng)化儀表,2003,24(3)：1-9．

[2]查建峰．集成霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)的電路分析和拓展[C]．全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì),2013．

[3]李映輝．霍爾電流傳感器在智能儀表電氣參數(shù)測(cè)試中應(yīng)用[J]．工業(yè)計(jì)量,2001(s1)：255-257．

[4]謝完成．一種新的基于霍爾傳感器的電流測(cè)量方法[J]．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2012,26(8)：705-710．

[5]馬少華．霍爾器件在多路壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2001,33(02)：33-36．

[6]郭清．霍爾傳感器在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用研究[J]．傳感器與微系統(tǒng),2011,30(7)：54-56．

季建珍，江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校講師，研究方向：電工電子。