霍爾效應(yīng)在電磁測(cè)量中的應(yīng)用

張晶瑩 吉林建筑大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)部物理實(shí)驗(yàn)中心

1 霍爾效應(yīng)

美國(guó)物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall）在1897年發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，其本質(zhì)就是，在磁場(chǎng)中，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子因受到洛侖茲力的作用而引起的偏轉(zhuǎn)。如果這些帶電粒子被約束在固體材料（如金屬薄片）中，磁場(chǎng)就會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的帶電粒子產(chǎn)生一個(gè)橫向的作用力，正負(fù)電荷在不同側(cè)聚積，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。這個(gè)現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。電壓差U即霍爾電壓，E為霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)中的帶電粒子既受到洛倫茲力作用，同時(shí)還受到霍爾電場(chǎng)力的作用（與洛倫茲力方向相反），當(dāng)帶電粒子受到兩種力的作用相等時(shí)，電壓差保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 霍爾效應(yīng)原理

2 霍爾效應(yīng)在電磁測(cè)量中的應(yīng)用

相對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)大，霍爾效應(yīng)更顯著?；诨魻栃?yīng)，半導(dǎo)體材料的霍爾元件得到了廣泛的應(yīng)用，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、對(duì)磁場(chǎng)敏感、頻率寬、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在電磁測(cè)量、非電量測(cè)量、自動(dòng)控制等方面的應(yīng)用很廣。本文主要探討霍爾元件在電磁測(cè)量中的應(yīng)用。

在電磁測(cè)量中，霍爾元件主要用于測(cè)量恒定或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、相位、有功功率、無(wú)功功率、電能等參數(shù)。

2.1 測(cè)量磁場(chǎng)

高斯計(jì)可以精確測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，它是基于霍爾效應(yīng)來(lái)制造的。高斯計(jì)的探頭是由一個(gè)半導(dǎo)體薄片組成的霍爾元件。根據(jù)霍爾效應(yīng)試驗(yàn)的公式：U=KIB/d ，（ U：霍爾電壓； I ：電流； B：磁感應(yīng)強(qiáng)度；d：板的厚度；K=1/nq：比例常數(shù)，稱(chēng)為霍爾系數(shù)，由導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料的性質(zhì)所決定），霍爾電壓可用毫伏計(jì)測(cè)量，霍爾系數(shù)、電流也可用相應(yīng)的儀器測(cè)量，因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度可以通過(guò)公式計(jì)算出來(lái)。高斯計(jì)的表盤(pán)顯示的是磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量時(shí)，將高斯計(jì)插入待測(cè)磁場(chǎng)中即可直接讀出磁感應(yīng)強(qiáng)度值。若被測(cè)磁場(chǎng)精度要求較高，可選用砷化鎵霍爾元件，若被測(cè)磁場(chǎng)精度要求較低，則可選用硅和鍺霍爾元件。

2.2 實(shí)現(xiàn)電-磁-電的轉(zhuǎn)換

由輸入的電信號(hào)建立的磁場(chǎng)，通過(guò)霍爾元件后，實(shí)現(xiàn)了磁電變換，又以電信號(hào)的形式輸出，由此，將輸入-輸出信號(hào)間的電信號(hào)進(jìn)行了隔離，根據(jù)這個(gè)原理，出現(xiàn)了隔離耦合器、隔離放大器等許多新型產(chǎn)品?；魻栯娏鱾鞲衅骺蓪?shí)現(xiàn)電流的“無(wú)電位”檢測(cè)。檢測(cè)電流靠磁場(chǎng)耦合，測(cè)量電路不必接入被測(cè)電路。因此，檢測(cè)電路的輸入、輸出電路實(shí)現(xiàn)了完全的電隔離。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，被測(cè)電路和檢測(cè)電路互不干擾?；魻栯娏鱾鞲衅饔兄苯訙y(cè)量式和零磁通式兩種構(gòu)成形式。

霍爾電流傳感器一般應(yīng)用在以下方面：

（1）繼電保護(hù)與測(cè)量

來(lái)自輸電線(xiàn)路電流互感器的二次電流，經(jīng)霍爾電流傳感器，可以按照比例輸出毫伏電壓，再經(jīng)運(yùn)算放大器放大、有源濾波，即可得到電壓信號(hào)，最后送至電腦進(jìn)行測(cè)量或處理?；魻栯娏鱾鞲衅鞯氖褂茫瑢?duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)畸變、無(wú)延時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換具有重要作用。

（2）電子點(diǎn)焊機(jī)

霍爾電流傳感器在電子點(diǎn)焊機(jī)的電源中起測(cè)量和控制的作用。由于它可以快速響應(yīng)，因此電流、電壓波形能夠?qū)崿F(xiàn)再現(xiàn)，將電流、電壓反饋到可控整流器，可控制其輸出。用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，不僅可以檢測(cè)到電流的真正瞬時(shí)值，同時(shí)也不會(huì)引入損耗。

（3）用于電能管理

將霍爾器件的輸出和計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可以監(jiān)控用電的情況，若發(fā)現(xiàn)過(guò)載，便及時(shí)斷開(kāi)受控線(xiàn)路，從而在很大程度上保證用電設(shè)備的安全。使用霍爾電流傳感器，還可以進(jìn)行電網(wǎng)的遙控、遙測(cè)和巡檢等工作。

（4）在電網(wǎng)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，為了使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持在最佳狀態(tài)，減少供電變壓器及輸送線(xiàn)路的損耗，無(wú)功功率的補(bǔ)償裝置不可或缺，無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償是指補(bǔ)償容量隨負(fù)荷和電壓波動(dòng)而變化，及時(shí)準(zhǔn)確地投入和切除電容器，避免補(bǔ)償過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟(jì)。無(wú)功功率的自動(dòng)采樣可以使用霍爾電流、電壓傳感器，由于它們響應(yīng)速度快，且無(wú)相位差，所以可以保證達(dá)到“及時(shí)、準(zhǔn)確”的效果。

2.3 電功率測(cè)量

使負(fù)載電壓變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負(fù)載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測(cè)電流，即可構(gòu)成霍爾功率計(jì)。由霍爾器件輸出的霍爾電壓來(lái)指示功率。

結(jié)語(yǔ)：霍爾效應(yīng)于1897年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)后，引起很大轟動(dòng)，相繼很多科學(xué)家投入到理論與應(yīng)用的研究中?；魻栃?yīng)在電磁測(cè)量、非電量測(cè)量、自動(dòng)控制等方面的應(yīng)用十分廣泛，本文著重探討了霍爾效應(yīng)在電磁測(cè)量方面的應(yīng)用。

[1]戴國(guó)平. 霍爾效應(yīng)原理與應(yīng)用分析[J]. 科協(xié)論壇（下半月），2013（11）：34-35.

[2]邢紅宏，張勇. 霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016,33（5）：78-81.