霍爾元件及其應(yīng)用

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• 摘 要 : 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹其 工作原理， 產(chǎn)品特性及其典型應(yīng)用。 1 引言 霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用�；魻柶骷�以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。 按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。 2 霍爾效應(yīng)和霍爾元件 2.1 霍爾效應(yīng) 如圖1所示，在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖1中的VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。VH稱為霍爾電壓。 （a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件 這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥�電半�?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)�；魻栯妶�(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓。 在片子上作四個(gè)電極，其中C1、C2間通以工作電流I，C1、C2稱為電流電極，C3、C4間取出霍爾電壓VH，C3、C4稱為敏感電極。將各個(gè)電極焊上引線，并將片子用塑料封裝起來(lái)，就形成了一個(gè)完整的霍爾元件（又稱霍爾片）。(1)或(2)或(3) 在上述（1）、（2）、（3）式中VH是霍爾電壓，ρ是用來(lái)制作霍爾元件的材料的電阻率，μn是材料的電子遷移率，RH是霍爾系數(shù)，l、W、t分別是霍爾元件的長(zhǎng)、寬和厚度，f(I/W)是幾何修正因子，是由元件的幾何形狀和尺寸決定的，I是工作電流，V是兩電流電極間的電壓，P是元件耗散的功率。由(1)～(3)式可見，在霍爾元件中，ρ、RH、μn決定于元件所用的材料，I、W、t和f(I/W)決定于元件的設(shè)計(jì)和工藝，霍爾元件一旦制成，這些參數(shù)均為常數(shù)。因此，式(1)～(3)就代表了霍爾元件的三種工作方式所得的結(jié)果。(1)式表示電流驅(qū)動(dòng)，(2)式表示電壓驅(qū)動(dòng)，(3)式可用來(lái)評(píng)估霍爾片能承受的最大功率。 為了精確地測(cè)量磁場(chǎng),常用恒流源供電,令工作電流恒定,因而,被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可用霍爾電壓來(lái)量度。 在一些精密的測(cè)量?jī)x表中，還采用恒溫箱，將霍爾元件置于其中，令RH保持恒定。 若使用環(huán)境的溫度變化，常采用恒壓驅(qū)動(dòng)，因和RH比較起來(lái)，μn隨溫度的變化比較平緩，因而VH受溫度變化的影響較小。 為獲得盡可能高的輸出霍爾電壓VH，可加大工作電流，同時(shí)元件的功耗也將增加。(3)式表達(dá)了VH能達(dá)到的極限——元件能承受的最大功耗。 2.2 霍爾器件 霍爾器件分為: 霍爾元件 和 霍爾集成電路 兩大類，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上。 2.2.1 霍爾元件 霍爾元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等等。 InSb和GaAs霍爾元件輸出特性見圖1(a)、圖1(b). （a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件 （b）InSb霍爾元件的輸出特性 (c)GaAs霍爾元件的輸出特性 圖1 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和輸出特性 這些霍爾元件大量用于直流無(wú)刷電機(jī)和測(cè)磁儀表。 2.2.2 霍爾電路 2.2.2.1 霍爾線性電路 它由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B成比例，它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖3。 這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場(chǎng)檢測(cè)。霍爾線性電路的性能參數(shù)見表3。 圖2 霍爾線性電路的功能框圖 圖3 霍爾線性電路UGN3501的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線 型號(hào) Vcc/V 線性范圍/mT 工作溫度/℃ 靈敏度S/mV/mT 靜態(tài)輸出電壓Vo/V min typ max min typ max UGN3501 8～12 ±100 －20～＋85 3.5 7.0 － 2.5 3.6 5.0 UGN3503 4.5～6 ±90 －20～＋85 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75 型號(hào) IOUT/mA Ro/kΩ Icc/mA 乘積靈敏度V/A·0.1T 輸出形式 引腳排列 外形結(jié)構(gòu) typ max 1 2 3 4 UGN3501 4.0 0.1 10 20 － 射極輸出 VCC 地 輸出 － CI/P UGN3503 － 0.05 9.0 14 － 射極輸出 VCC 地 輸出 － CI/P 表3 線性霍爾電路的特性參數(shù) 2.2.2.2 霍爾開關(guān)電路 霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)通閾值BOP時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場(chǎng)的B值降低到BRP時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點(diǎn)，BRP為釋放點(diǎn)，BOP－BRP=BH稱為回差�；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)�；魻栭_關(guān)電路的功能框見圖4。圖4(a)表示集電極開路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5，圖5(a)表示普通霍爾開關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性。 (a) 單OC輸出 (b)雙OC輸出 圖4 霍爾開關(guān)電路的功能框圖 (a)開關(guān)型輸出特性 (b)鎖定型輸出特性 圖5 霍爾開關(guān)電路的輸出特性   一般規(guī)定，當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎�，北極接近標(biāo)志面時(shí)為負(fù)。 鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加場(chǎng)B正向增加，達(dá)到BOP時(shí)，電路導(dǎo)通，之后無(wú)論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達(dá)到負(fù)向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型�；魻栭_關(guān)電路的性能參數(shù)見表4。 表4 霍爾開關(guān)電路的特性參數(shù) 型號(hào) VCC/V Bop/mT BRP/mT BH/mT Icc/mA Io/mA Vo/sat Ioff/μA 備注 CS1018 4.8～18 －14～20 －20～14 ≥6 ≤12 5 ≤0.4 ≤10 　 CS1028 4.5～24 －28～30 －30～28 ≥2 ≤9 25 ≤0.4 ≤10 　 CS2018 4.0～20 10～20 －20～－10 ≥6 ≤30 300 ≤0.6 ≤10 互補(bǔ)輸出 CS302 3.5～24 0～6 －6～0 ≥6 ≤9 5 ≤0.4 ≤10 　 UGN3119 4.5～24 16.5～50 12.5～45 ≥5 ≤9 25 ≤0.4 ≤10 　 A3144 4.5～24 7～35 5～33 ≥2 ≤9 25 ≤0.4 ≤10 　 UGN3140 4.5～24 7～20 5～18 ≥2 ≤9 25 ≤0.4 ≤10 　 A3121 4.5～24 13～35 8～30 ≥5 ≤9 20 ≤0.4 ≤10 　 UGN3175 4.5～24 1～25 －25～－10 ≥2 ≤8 50 ≤0.4 ≤10 鎖定 2.2.2.3 差動(dòng)霍爾電路(雙霍爾電路) 它的霍爾電壓發(fā)生器由一對(duì)相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框圖見圖6。 圖6 差動(dòng)霍爾電路的工作原理圖   使用時(shí)在電路背面放置一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)，一對(duì)霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)差分放大后，使器件靈敏度大為提高。用這種電路制成的 汽車齒輪傳感器 具有極優(yōu)的性能。 2.2.2.4 其它霍爾電路 除上述各種霍爾元件外，目前還出現(xiàn)了許多特殊功能的霍爾電路，如功率霍爾電路，多重雙線霍爾傳感器電路，二維、三維霍爾集成電路等待。 3 霍爾器件的應(yīng)用 3.1 應(yīng)用的一般問(wèn)題 3.1.1 測(cè)量磁場(chǎng) 使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片的表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來(lái)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫，小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。 3.1.2 工作磁體的設(shè)置 用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。例如，用一個(gè)5×4×2.5（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號(hào)磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長(zhǎng)度。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊(cè)中會(huì)給出。 因?yàn)榛魻柶骷�需要工作電源，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測(cè)工作磁場(chǎng)，再?gòu)臋z測(cè)結(jié)果中提取被檢信息。 工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)對(duì)移；(b)側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷。如圖7所示，圖中的TEAG即為總有效工作氣隙。 圖7 霍爾器件和工作磁體間的運(yùn)動(dòng)方式 在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)翼片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來(lái)調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在翼片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125℃的溫度范圍內(nèi)，翼片的位置重復(fù)精度可達(dá)50μm。 圖8 在霍爾器件背面放置磁體   也可將工作磁體固定在霍爾器件背面（外殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過(guò)，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 3.1.3 與外電路的接口 霍爾開關(guān)電路的輸出級(jí)一般是一個(gè)集電極開路的NPN晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的NPN開關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過(guò)輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個(gè)電阻器（即負(fù)載電阻器）來(lái)限制流過(guò)管子的電流，使它不超過(guò)最大允許值（一般為20mA），以免損壞輸出管。輸出電流較大時(shí)，管子的飽和壓降也會(huì)隨之增大，使用者應(yīng)當(dāng)特別注意，僅這個(gè)電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。 以與發(fā)光二極管的接口為例，對(duì)負(fù)載電阻器的選擇作一估計(jì)。若在Io為20mA（霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流），發(fā)光二極管的正向壓降VLED=1.4V，當(dāng)電源電壓VCC=12V時(shí)，所需的負(fù)載電阻器的阻值（4） 和這個(gè)阻值最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻為560Ω，因此，可取560Ω的電阻器作為負(fù)載電阻器。 用圖9表示簡(jiǎn)化了的霍爾開關(guān)電路，圖10表示與各種電路的接口：（a）與TTL電路；(b)與CMOS電路；(c)與LED；(d)與晶閘管。 圖9簡(jiǎn)化的霍爾開關(guān)示意圖 圖10 霍爾開關(guān)與電路接口舉例 與這些電路接口時(shí)所需的負(fù)載電阻器阻值的估算方法，和式（4）的方法相同。 若受控的電路所需的電流大于20mA，可在霍爾開關(guān)電路與被控電路間接入電流放大器。 霍爾器件的開關(guān)所需的電流大于20mA，可在霍爾開關(guān)電路與被電路間接入電流放大器。 霍爾器件的開關(guān)作用非常迅速，典型的上升時(shí)間和下降時(shí)間在400nS范圍內(nèi)，優(yōu)于任何機(jī)械開關(guān)。 3.2 應(yīng)用實(shí)例 下面我們將舉出一些應(yīng)用實(shí)例。這些例子僅是該類應(yīng)用中的一種，用同樣的原理和方法，使用者可根據(jù)自己的使用需要，設(shè)計(jì)出自己的應(yīng)用裝置。 3.2.1檢測(cè)磁場(chǎng) 用霍爾線性器件作探頭，測(cè)量10－6T～10T的交變和恒定磁場(chǎng)，已有許多商品儀器。這里，僅介紹一種用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的UGN3503或A3515型霍爾線性電路來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡(jiǎn)便方法。電路出廠時(shí)，工廠可提供每塊電路的校準(zhǔn)曲線和靈敏度系數(shù)。測(cè)量時(shí)，將電路第一腳（面對(duì)標(biāo)志面從左到右數(shù)）接電源，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（>10kΩ）電壓表，通電后，將電路放入被測(cè)磁場(chǎng)中，讓磁力線垂直于電路表面，讀出電壓表的數(shù)值，即可從校準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。使用前，將器件通電一分鐘，使之達(dá)到穩(wěn)定。 用靈敏度系數(shù)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的B值時(shí)，可用 B=[Vout(B)－Vout(o)]1000/S 式中，Vout(B)=加上被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為V，Vout(o)=未加被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為V，S=靈敏度系數(shù)，單位為mV/G(高斯)，B=被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為G。 3.2.2 檢測(cè)鐵磁物體 在霍爾線性電路背面偏置一個(gè)永磁體，如圖11所示。圖11（a）表示檢測(cè)鐵磁物體的缺口，圖11（b）表示檢測(cè)齒輪的齒。它們的電路接法見圖12，(a)為檢測(cè)齒輪，(b)為檢測(cè)缺口。用這種方法可以檢測(cè)齒輪的轉(zhuǎn)速。 圖11 用霍爾線性電路檢測(cè)鐵磁物體 圖12 用霍爾線性電路檢測(cè)齒口的線路 3.2.3 用在直流無(wú)刷電機(jī)中 直流無(wú)刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令已通電的霍爾器件輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。到下一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。其工作原理示于圖13。 在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷，又起開關(guān)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停止工作，下一個(gè)器件開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極總是面對(duì)推斥磁場(chǎng)，霍爾器件又起定子電流的換向作用。 無(wú)刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開關(guān)電路。使用霍爾元件時(shí)，一般要外接放大電路，如圖14所示，使用霍爾開關(guān)電路，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，使線路大為簡(jiǎn)化，如圖15所示。 圖13 霍爾元件在無(wú)刷電機(jī)中的工作 （其中的HG為霍爾元件）   圖14 采用霍爾元件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 （圖中的H為霍爾元件）   圖15 用CS2018霍爾開關(guān)鎖定電路直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的線路示意圖（圖中的線圈為電機(jī)定子繞組） 鐵磁材料受到磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會(huì)發(fā)生彎曲，使局部磁場(chǎng)發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大小（如深度、寬度等），圖16示出兩種用于無(wú)損探傷的探頭結(jié)構(gòu)。(b)檢測(cè)線材用 (a)檢測(cè)板材用   圖16 用于無(wú)損探傷的兩種霍爾探頭 3.2.4 無(wú)損探傷 霍爾無(wú)損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗(yàn)等方面得到廣泛應(yīng)用。 3.2.5 磁記錄信息讀出 用霍爾元件制成的磁讀頭，如圖17所示，將寫頭和讀頭裝在同一外殼里，采用長(zhǎng)1mm，寬0.2mm,厚1.4μm的InSb霍爾元件，其信噪比比普通磁頭高3db～5db,由于寫頭和讀頭間的間距很小，僅2.6mm，故可用一讀頭去監(jiān)視幾分之一秒之前錄頭錄下的信息。 圖17 霍爾磁頭 霍爾讀頭的輸出僅由記錄信息的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)決定，即使頻率到零，輸出仍然恒定，且因讀頭無(wú)電感，故可獲得優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。它的靈敏度隨溫度的變化也很小，約為0.01db/℃。采用適當(dāng)?shù)那爸梅糯箅娐�，可�?℃～50℃范圍內(nèi)保持±0.5db。 由于霍爾磁讀頭具備這些優(yōu)點(diǎn)，因而在計(jì)算機(jī)中得到很重要的應(yīng)用。特別在高密度垂直記錄的磁盤的信息讀出中，更能顯示其優(yōu)越性。專家預(yù)言，今后十年，霍爾讀頭很可能會(huì)占去磁阻頭的部分市場(chǎng)。 3.2.6 霍爾接近傳感器和接近開關(guān) 在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個(gè)殼體內(nèi)，做成一個(gè)探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來(lái)，構(gòu)成如圖18所示的接近傳感器。它們的功能框見圖19。(a)為霍爾線性接近傳感器，(b)為霍爾接近開關(guān)。 圖18 霍爾接近傳感器的外形圖 a)霍爾線性接近傳感器 (b)霍爾接近開關(guān) 圖19 霍爾接近傳感器的功能框圖 霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計(jì)數(shù)，黑色金屬的厚度檢測(cè)、距離檢測(cè)、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、測(cè)速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測(cè)、棉條均勻檢測(cè)、電磁量檢測(cè)、角度檢測(cè)等。 霍爾接近開關(guān)主要用于各種自動(dòng)控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、各種計(jì)數(shù)、各種流程的自動(dòng)銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測(cè)等等。3.2.7霍爾翼片開關(guān) 霍爾翼片開關(guān)就是利用遮斷工作方式的一種產(chǎn)品，它的外形如圖20所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示于圖21。 圖20 霍爾翼片開關(guān)的外形圖 圖21 霍爾翼片開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖   翼片未進(jìn)入工作氣隙時(shí)，霍爾開關(guān)電路處于導(dǎo)通態(tài)。翼片進(jìn)入后，遮斷磁力線，使開關(guān)變成截止態(tài)，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的位置非常精確，在125℃的溫度范圍內(nèi)位置重復(fù)精度可達(dá)50nm。將齒輪形翼片和軸相連，用在汽車點(diǎn)火器中作為點(diǎn)火開關(guān)，可得到準(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)間，使汽缸中的汽油充分燃燒，既可節(jié)約燃料，又能降低車輛排放的尾氣的污染，已在桑塔那，克萊斯勒等許多名車中使用。將它們用在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可作為轉(zhuǎn)速傳感器、位置開關(guān)、限位開關(guān)、軸編碼器、碼盤掃描器等。 3.2.8 霍爾齒輪傳感器 用2.2.2.3中介紹的差動(dòng)霍爾電路制成的霍爾齒輪傳感器，如圖22所示,新一代的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于新一代的汽車智能發(fā)動(dòng)機(jī)，作為點(diǎn)火定時(shí)用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）作為車速傳感器等。 在ABS中，速度傳感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意圖如圖23所示。圖中，1是車速齒輪傳感器；2是壓力調(diào)節(jié)器；3是控制器。在制動(dòng)過(guò)程中，控制器3不斷接收來(lái)自車速齒輪傳感器1和車輪轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)并進(jìn)行處理，得到車輛的滑移率和減速信號(hào)，按其控制邏輯及時(shí)準(zhǔn)確地向制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器2發(fā)出指令，調(diào)節(jié)器及時(shí)準(zhǔn)確地作出響應(yīng)，使制動(dòng)氣室執(zhí)行充氣、保持或放氣指令，調(diào)節(jié)制動(dòng)器的制動(dòng)壓力，以防止車輪抱死，達(dá)到抗側(cè)滑、甩尾，提高制動(dòng)安全及制動(dòng)過(guò)程中的可駕馭性。在這個(gè)系統(tǒng)中，霍爾傳感器作為車輪轉(zhuǎn)速傳感器，是制動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)速度采集器，是ABS中的關(guān)鍵部件之一。 在汽車的新一代智能發(fā)動(dòng)機(jī)中，用霍爾齒輪傳感器來(lái)檢測(cè)曲軸位置和活塞在汽缸中的運(yùn)動(dòng)速度，以提供更準(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)間，其作用是別的速度傳感器難以代替的，它具有如下許多新的優(yōu)點(diǎn)。 （1）相位精度高，可滿足0.4°曲軸角的要求，不需采用相位補(bǔ)償。 （2）可滿足0.05度曲軸角的熄火檢測(cè)要求。 （3）輸出為矩形波，幅度與車輛轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。在電子控制單元中作進(jìn)一步的傳感器信號(hào)調(diào)整時(shí)，會(huì)降低成本。 用齒輪傳感器，除可檢測(cè)轉(zhuǎn)速外，還可測(cè)出角度、角速度、流量、流速、旋轉(zhuǎn)方向等等。 圖22 霍爾速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)   1.車輪速度傳感器2.壓力調(diào)節(jié)器3.電子控制器 圖23 ABS氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理示意圖 3.2.9 旋轉(zhuǎn)傳感器 按圖24所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來(lái)可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器。霍爾電路通電后，磁體每經(jīng)過(guò)霍爾電路一次，便輸出一個(gè)電壓脈沖。 (a)徑向磁極(b)軸向磁極(c)遮斷式 圖24 旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設(shè)置 由此，可對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體實(shí)施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測(cè)。在轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等，這些應(yīng)用的實(shí)例如圖25所示。 圖25的殼體內(nèi)裝有一個(gè)帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測(cè)流體從管道一端通入，推動(dòng)葉輪帶動(dòng)與之相連的磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)霍爾器件時(shí)，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量�；魻栯娐酚呻娎|35來(lái)供電和輸出。 圖25 霍爾流量計(jì) 由圖26可見，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)轉(zhuǎn)換，便可得到數(shù)字顯示的車速。 利用鎖定型霍爾電路，不僅可檢測(cè)轉(zhuǎn)速，還可辨別旋轉(zhuǎn)方向，如圖27所示。 曲線1對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖（a）,曲線2對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖(b)，曲線3對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖(c)。 圖26 霍爾車速表的框圖   圖27 利用霍爾開關(guān)鎖定器進(jìn)行方向和轉(zhuǎn)速測(cè)定 3.2.10 霍爾位移傳感器 若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量Z來(lái)決定。圖28示出3種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測(cè)系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z<2mm時(shí)，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)1μm，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。 圖28 幾種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性   用霍爾元件測(cè)量位移的優(yōu)點(diǎn)很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長(zhǎng)。 以微位移檢測(cè)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。 3．2．10．1 霍爾壓力傳感器 霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖29所示。在圖29中，（a）的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場(chǎng)的復(fù)合系統(tǒng)，如圖29中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變作用到霍爾元件上的磁場(chǎng)，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的p～f(VH)曲線即可得到被測(cè)壓力p的值。 圖29 幾種霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理 3.2.10.2 霍爾應(yīng)力檢測(cè)裝置 圖30示出用來(lái)進(jìn)行土壤和砂子與鋼界面上的法向和切向應(yīng)力檢測(cè)的霍爾傳感器裝置。(a)檢測(cè)向切應(yīng)力，(b)檢測(cè)壓應(yīng)力。箭頭所指是施加的外力方向。在圖30(a)中，儀器上用鋼作成上下兩個(gè)塊子，它們之間有兩條較細(xì)的梁支撐，在鋼下塊上置一銷柱，銷上貼兩對(duì)永磁體，形成均勻梯度磁場(chǎng)，在上塊上貼兩個(gè)霍爾傳感器，受剪切力作用后，支撐梁發(fā)生形變，使霍爾傳感器和磁場(chǎng)間發(fā)生位移，使傳感器輸出發(fā)生變化。由霍爾傳感器的輸出可從事先校準(zhǔn)的曲線上查得與該裝置相接的砂或土受到的剪切應(yīng)力。 圖30 霍爾應(yīng)力檢測(cè)裝 置 圖30(b)的磁體固定在受力后產(chǎn)生形變的膜片上，霍爾傳感器固定在一桿上。檢測(cè)原理同上。應(yīng)用檢測(cè)壓應(yīng)力的原理，可構(gòu)成檢測(cè)重量的裝置，稱作霍爾稱重傳感器。 3.2.10.3 霍爾加速度傳感器 圖31示出霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點(diǎn)上固定均質(zhì)彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測(cè)量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對(duì)永磁體，它們同極性相對(duì)安裝。盒體固定在被測(cè)對(duì)象上，當(dāng)它們與被測(cè)對(duì)象一起作垂直向上的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓VH的變化�？蓮腣H與加速度的關(guān)系曲線上求得加速度。 圖31 霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)特性 3.2.10.4 霍爾振動(dòng)傳感器 圖32所示為一種霍爾機(jī)械振動(dòng)傳感器。圖中，1為霍爾元件，固定在非磁性材料的平板2上，平板2緊固在頂桿3上，頂桿3通過(guò)觸點(diǎn)4與被測(cè)對(duì)象接觸，隨之做機(jī)械振動(dòng)。元件1置于磁系統(tǒng)6中。當(dāng)觸頭4靠在被測(cè)物體上時(shí)，經(jīng)頂桿3，平板2使霍爾元件在磁場(chǎng)中按被測(cè)物的振動(dòng)頻率振動(dòng)，霍爾元件輸出的霍爾電壓的頻率和幅度反映了被測(cè)物的振動(dòng)規(guī)律。 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，在現(xiàn)代電子裝置中，上述應(yīng)力、壓力、加速度、振動(dòng)等傳感器所得數(shù)據(jù)，都可經(jīng)微機(jī)進(jìn)行處理后直接顯示出被測(cè)量數(shù)據(jù)或?qū)⒈粶y(cè)量數(shù)據(jù)供各種控制系統(tǒng)使用。 圖32 霍爾機(jī)械振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)原理（待續(xù)） 3.2.10.5霍爾液位傳感器 圖33示出兩種霍爾液位檢測(cè)裝置。圖(a)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，霍爾器件裝在容器外面，永磁體支在浮子上，隨著液位變化，作用到霍爾器件上的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，從而可測(cè)得液位。圖(b)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。 在圖33(b)中，15是一個(gè)中空的非磁材料的管子，浮子19套在管子15外，可上下滑動(dòng)，在19的上端放著永磁21，霍爾器件及其饋線和一根沖了許多孔的柔性帶在一起，吊在管子15內(nèi)。多孔柔性帶像電影膠片一樣，用絞盤39絞動(dòng)，使之上下移動(dòng)。當(dāng)柔性帶帶著的霍爾器件接近浮子上的磁體21時(shí)，霍爾器件將輸出霍爾電壓，校準(zhǔn)霍爾電壓和浮子位置的關(guān)系，即可由所得的霍爾電壓得到容器中液體的液位。用這種裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)檢測(cè)。 用霍爾液位傳感器檢測(cè)液位時(shí)，因霍爾器件在液體之外，且系無(wú)接觸傳感，在檢測(cè)過(guò)程中不產(chǎn)生火花，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，因此，可用來(lái)檢測(cè)易燃、易爆、有腐蝕性和有毒的液體的液位和容器中的液體存量，在石油、化工、醫(yī)藥、交通運(yùn)輸中有廣泛的用途。盡管目前已有許多不同工作原理的液位計(jì)出現(xiàn)，但對(duì)上述各種危險(xiǎn)液體的液位實(shí)測(cè)表明，霍爾液位傳感器是其中最好的檢測(cè)方法和裝置之一。 3.2.10.6基于位移傳感的霍爾流量計(jì) 圖34給出一種基于位移傳感的霍爾流量計(jì)。葉輪在流體推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，使磁系統(tǒng)產(chǎn)生上下移動(dòng)。流速高則位移量大。用霍爾器件檢出位移而獲得流速和流量。 (a) (b) 圖33霍爾液位傳感器 圖34基于位移傳感的霍爾流量計(jì) 圖35霍爾電流傳感器的構(gòu)成原理 3.2.11實(shí)現(xiàn)電－磁－電的轉(zhuǎn)換 從所周知,在有電流流過(guò)的導(dǎo)線周圍會(huì)感生出磁場(chǎng),該磁場(chǎng)與流過(guò)的電流的關(guān)系,可由安培環(huán)路定理求出。 　　用霍爾器件檢測(cè)由電流感生的磁場(chǎng),即可測(cè)出產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的電流的量值。由此,可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。 　　因?yàn)榛魻柶骷�的輸出電壓與加在它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及流過(guò)其中的工作電流的乘積成比例，是一個(gè)具有乘法器功能的器件，因而可用它檢測(cè)電功率，構(gòu)成具有各種特殊功能的霍爾功率計(jì)和霍爾電度表。 　　由輸入的電信號(hào)建立的磁場(chǎng)，經(jīng)霍爾器件的作用，實(shí)現(xiàn)了磁電變換后，又變成電信號(hào)輸出，這一變換實(shí)現(xiàn)了輸入－輸出信號(hào)間的電隔離，由此可構(gòu)成隔離放大器、隔離耦合器等許多新型產(chǎn)品。 3.2.11.1霍爾電流傳感器 霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖35所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來(lái)，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。圖35（a）所示的傳感器用于測(cè)量電流強(qiáng)度較小的電流，圖35(b)所示的傳感器用于檢測(cè)較大的電流。 　　實(shí)際的霍爾電流傳感器有兩種構(gòu)成形式，即直接測(cè)量式和零磁通式。 3.2.11.1.1直接測(cè)量式霍爾電流傳感器 將圖35中霍爾器件的輸出（必要時(shí)可進(jìn)行放大）送到經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測(cè)電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的精度和線性度都較高。可測(cè)直流、交流和各種波形的電流。但它的測(cè)量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場(chǎng)檢測(cè)器，它檢測(cè)的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會(huì)隨之升高。這些都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施來(lái)降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個(gè)霍爾元件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)等等。 　　這類霍爾電流傳感器的價(jià)格也相對(duì)便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已有許多廠家生產(chǎn)。 3.2.11.1.2零磁通式（也稱為磁平衡式或反饋補(bǔ)償式）霍爾電流傳感器 如圖36所示，將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過(guò)補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，若滿足條件IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0，這時(shí)下式成立： Io=Is(N2/N1)(5) 式中，I1為被測(cè)電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1為初級(jí)繞組的匝數(shù)，I2為補(bǔ)償繞組中的電流，N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)。由式（5）可知，達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由Is及匝數(shù)比N2/N1得到Io。 圖36霍爾零磁通電流傳感器   圖37霍爾電流傳感器在繼電保護(hù)與測(cè)量中的應(yīng)用 （H為霍爾電流傳感器）   這個(gè)平衡過(guò)程是自動(dòng)建立的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。建立平衡所需的時(shí)間極短。平衡時(shí)，霍爾器件處于零磁通狀態(tài)。磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度極低（理想狀態(tài)應(yīng)為0），不會(huì)使磁芯飽和，也不會(huì)產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當(dāng)?shù)剡x擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優(yōu)良的零磁通電流傳感器。 　　在霍爾電流傳感器的輸出電路中接上恰當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻器，即可構(gòu)成霍爾電壓傳感器。 霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電流的“無(wú)電位”檢測(cè)。即測(cè)量電路不必接入被測(cè)電路即可實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，它們靠磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。因此，檢測(cè)電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測(cè)過(guò)程中，被測(cè)電路的狀態(tài)不受檢測(cè)電路的影響，檢測(cè)電路也不受被檢電路的景響。 　　霍爾電流傳感器可以檢測(cè)從直流到100kHz（通過(guò)仔細(xì)的設(shè)計(jì)和制作，甚至可以達(dá)到MHz級(jí)）的各種波形的電流，響應(yīng)時(shí)間可短到1μs以下。 由于這些優(yōu)點(diǎn)，霍爾電流傳感器得到了極其廣泛的應(yīng)用。3��2��12霍爾電流傳感器的應(yīng)用 3��2��12��1繼電保護(hù)與測(cè)量 　　如圖37所示，來(lái)自高壓三相輸電線路電流互感器的二次電流，經(jīng)三只霍爾電流傳感器H（圖中只畫出B相的一只），按比例轉(zhuǎn)換成毫伏電壓輸出，然后再經(jīng)運(yùn)算放大器放大及有源濾波，得到符合要求的電壓信號(hào)，送微機(jī)進(jìn)行測(cè)量或處理。使用霍爾電流傳感器很方便地實(shí)現(xiàn)了無(wú)畸變、無(wú)延時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。 3��2��12��2在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 　　在直流自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)中，用霍爾電流電壓傳感器代替電流互感器，不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的最佳控制以及對(duì)晶閘管進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，其應(yīng)用線路如圖38所示。 圖38在直流控制中的應(yīng)用 圖39霍爾電流傳感器在逆變器中的應(yīng)用 （CS為霍爾電流傳感器）   圖40 霍爾電流傳感器在UPS中的應(yīng)用 （1、2、3均為霍爾電流傳感器）   圖41 霍爾電流傳感器在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用 　　3.2.12.3在逆變器中的應(yīng)用 在逆變器中，用霍爾電流傳感器進(jìn)行接地故障檢測(cè)、直接側(cè)和交流側(cè)的模擬量傳感，以保證逆變器能安全工作。應(yīng)用線路如圖39所示。 3.2.12.4在不間斷電源中的應(yīng)用 如圖40所示，霍爾電流傳感器1發(fā)出信號(hào)并進(jìn)行反饋，以控制晶閘管的觸發(fā)角，電流傳感器2發(fā)出的信號(hào)控制逆變器，傳感器3控制浮充電源。用霍爾電流傳感器進(jìn)行控制，保證逆變電源正常工作。由于其響應(yīng)速度快，特別適用于計(jì)算機(jī)中的不間斷電源。 3.2.12.5在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用 在電子點(diǎn)焊機(jī)電源中，霍爾電流傳感器起測(cè)量和控制作用。它的快速響應(yīng)能再現(xiàn)電流、電壓波形，將它們反饋到可控整流器A、B，可控制其輸出。用斬波器給直流迭加上一個(gè)交流，可更精確地控制電流。用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，既可測(cè)量電流的真正瞬時(shí)值，，又不致引入損耗，如圖41所示。 3.2.12.6用于電車斬波器的控制 電車中的調(diào)速是由調(diào)整電壓實(shí)現(xiàn)的。將霍爾電流傳感器和其它元件配合使用，并將傳感器的所有信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，可確保電車正常工作。其控制原理示 圖42 霍爾電流傳感器在電車斬波器中的應(yīng)用   圖43 在變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用 （I，R，S，T均為霍爾電流傳感器）   圖44 用于電能管理的霍爾電流傳感器   圖45 霍爾接地故障檢測(cè)器的原理和結(jié)構(gòu)   于圖42。圖中，SCR1是主串聯(lián)晶閘管，SCR2為輔助晶閘管，Lo、Co組成輸入濾波器，Ls是平滑扼流圈，M1～M5是霍爾電流傳感器。 3.2.12.7在交流變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用 用變頻器來(lái)對(duì)交流電機(jī)實(shí)施調(diào)速，在世界各發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。用變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10％以上的電能。在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1μs，因此，出現(xiàn)過(guò)載短路時(shí)，在晶全管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)，如圖43所示。 3.2.12.8用于電能管理 圖44給出一種用于電能管理的電流傳感器的示意圖。圖中，12是通電導(dǎo)線，11是導(dǎo)磁材料帶，17是霍爾元件，19是霍爾元件的輸入、輸出引線。由此構(gòu)成的電流傳感器，可安裝到配電線路上進(jìn)行負(fù)載管理。霍爾器件的輸出和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，對(duì)用電情況進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)過(guò)載，便及時(shí)使受控的線路斷開，保證用電設(shè)備的安全。用這種裝置，也可進(jìn)行負(fù)載分配及電網(wǎng)的遙控、遙測(cè)和巡檢等。 3.2.12.9在接地故障檢測(cè)中的應(yīng)用 在配電和各種用電設(shè)備中，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備安全的重要措施。采用霍爾電流傳感器來(lái)進(jìn)行接地故障的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可保證用電安全。圖45示出一種霍爾接地故障監(jiān)測(cè)裝置。 3.2.12.10在電網(wǎng)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償中的應(yīng)用 電力系統(tǒng)無(wú)功功率的自動(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)，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持最佳。無(wú)功功率的自動(dòng)采樣若用霍爾電流、電壓傳感器來(lái)進(jìn)行，在保證“及時(shí)、準(zhǔn)確”上具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈兊捻憫?yīng)速度快，且無(wú)相位差，如圖46所示。 圖46 電網(wǎng)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器的原理框圖 3.2.12.14霍爾鉗形電流表 將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線外，即可測(cè)出其中流過(guò)的電流。這種鉗形表既可測(cè)交流也可測(cè)直流。圖48示出一種數(shù)字鉗形交流電流表的線路。 用鉗形表可對(duì)各種供電和用電設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)電流檢測(cè)。 3.2.13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，其工作原理如圖49所示。 3.2.12.11在電力工頻諧波分析儀中的應(yīng)用 在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量用電力工頻諧波儀來(lái)進(jìn)行測(cè)試。為了將被測(cè)電壓和電流變換成適合計(jì)算機(jī)A/D采樣的電壓，將各種電力工頻諧波分析儀的取樣裝置，如電流互感器、電壓互感器、電阻取樣與光隔離耦合電路等和霍爾電流傳感取樣測(cè)試對(duì)比，結(jié)果表明霍爾電流傳感器最為適用。對(duì)比結(jié)果如表8所示。 表8電力工頻諧波分析儀中使用的3種接口部件 的比較（LEM模塊是一種霍爾零磁通電流傳感器） 　 CT和PT 電阻取樣與光耦隔離電路 LEM模塊 線性度 － <0.5％ <0.1％ 頻率范圍 較窄 0～30kHz 0～100kHz 對(duì)各次諧波幅度有否衰減及衰減一致性 有，不一致 無(wú) 無(wú) 對(duì)各次諧波有否相移及相移一致性 有，不一致 很小，可以忽略 很小，可以忽略 所需電源 不需要 二組 一組 輔助電路 無(wú) 恒溫電路 無(wú) 體積 大 大 小 重量 重 輕 輕 安裝是否方便 不便 不便 方便 調(diào)試難易程度 容易 較難 容易   接口部件 性能、特點(diǎn)3.2.12.12在開關(guān)電源中的應(yīng)用 近代出現(xiàn)的開關(guān)電源，是將電網(wǎng)的非穩(wěn)定的交流電壓變換成穩(wěn)定的直流電壓輸出的功率變換裝置。無(wú)論是電壓控制型還是電流控制型開關(guān)電源，均采用脈沖寬度調(diào)制，借助驅(qū)動(dòng)脈沖寬度與輸出電壓幅值之間存在的某種比例關(guān)系來(lái)維持恒壓輸出。其中，寬度變化的脈沖電壓或電流的采樣、傳感等均需用電流、電壓傳感器來(lái)完成�；魻栯娏�、電壓傳感器以其頻帶寬、響應(yīng)時(shí)間快以及安裝簡(jiǎn)便而成為首選的電流、電壓傳感器。 3.2.12.13在大電流檢測(cè)中的應(yīng)用 在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及高能物理（例如可控核聚變）試驗(yàn)裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來(lái)進(jìn)行大電流的測(cè)量和控制，既可滿足測(cè)量準(zhǔn)確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測(cè)試裝置。圖47示出一種用于DⅢ－D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器，可檢測(cè)高達(dá)到300kA的電流。 圖47（a）為G－10安裝結(jié)構(gòu)，中心為電流匯流排，(b)為電纜型多霍爾探頭，(c)為霍爾電壓放大電路。 (a)G��10安裝結(jié)構(gòu)(b)電纜型多霍爾探頭(c)霍爾電壓放大電路 圖47 多霍爾探頭大電流傳感器   圖48 霍爾鉗形數(shù)字電流表線路示意圖   圖49 霍爾功率計(jì)原理圖   (a)霍爾控制電路 (b)霍爾磁場(chǎng)電路 圖50 霍爾三相功率變送器中的霍爾乘法器   圖51霍爾電度表功能框圖 圖52 霍爾隔離放大器的功能框圖   3.2.13.1霍爾三相功率變送器 利用霍爾器件的乘法器功能，還可構(gòu)成三相功率變送器，用以檢測(cè)三相平衡或不平衡負(fù)載電路的三相有功功率和無(wú)功功率。圖50示出霍爾三相功率變送器的乘法器。將其霍爾電壓經(jīng)濾波、放大和輸出變換后，將三相功率量變成直流電壓和電流。直流電壓可供給遠(yuǎn)動(dòng)裝置、巡檢裝置等，直流電流可供給近距離測(cè)量及儀表等。三相功率變送器是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)化不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 3.2.13.2構(gòu)成電度表 在前述功率計(jì)后加上V/f變換及分頻計(jì)數(shù)，即可構(gòu)成電度表，加上磁卡讀出裝置，可構(gòu)成磁卡電度表。 圖51示出霍爾磁卡電度表的功能框圖。 以霍爾器件為功率指示器，還可構(gòu)成各種各樣的功能電表，在這些電表中加入一些功能電路可構(gòu)成例如帶絕緣缺陷檢測(cè)的電度表，竊電檢測(cè)電度表等。以霍爾器件的基本功能為基礎(chǔ)，還可能集成多功能家用電表，可同時(shí)顯示電流、電壓，用電度數(shù)及電費(fèi)、功率因數(shù)、諧波電壓等等�；魻栯姸缺砜赡艹蔀樽罴训闹悄茈姸缺碇�一。 3.2.14霍爾隔離放大器 霍爾隔離放大器的原理框圖示于圖52，是以霍爾元件為中心，構(gòu)成一個(gè)自平衡弱電流比較儀，用以取代變壓器耦合隔離放大器中的調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)，使線路簡(jiǎn)化。仔細(xì)調(diào)整電流比較儀的電路，將放大器的頻帶大大展寬，使之可達(dá)DC～2MHz，而且保持了磁耦合隔離放大器的增益精度和光耦合隔離放大器的線性度，是一種高精度寬頻帶的隔離放大器。隔離放大器在空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)療和儀器儀表中有十分重要的應(yīng)用。 3.2.15用作電磁隔離耦合器 用霍爾電流傳感器的工作原理，可做成電磁耦合器。用初級(jí)線圈的電流控制霍爾器件的輸出，用這個(gè)輸出信號(hào)控制其它的電路，既收到隔離的效果，又達(dá)到耦合的目的。用這種電路可做成霍爾繼電器、過(guò)載保護(hù)器、通信線路的保護(hù)開關(guān)等等。 這種電磁耦合器既可做成開關(guān)式，也可做成模擬量輸出式。 此外，用霍爾器件還可檢測(cè)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速；測(cè)量磁性材料的磁化強(qiáng)度、各向異性、旋轉(zhuǎn)損耗和時(shí)間效應(yīng)；測(cè)量直流電機(jī)的電磁力矩等等；還可和熱磁材料組合起來(lái)，構(gòu)成熱磁開關(guān)�；魻柶骷�已實(shí)現(xiàn)的各種應(yīng)用如表9所列。 4.結(jié)束語(yǔ) 這里的介紹，除霍爾電流傳感器外，都僅簡(jiǎn)述了應(yīng)用中磁信息的采集和磁電轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)單原理，對(duì)輸出信號(hào)的處理和應(yīng)用，沒有作具體討論。好在霍爾器件的輸出，可與各種邏輯電路直接接口，還可以直接驅(qū)動(dòng)各種性質(zhì)（例如電阻性、電感性等）的負(fù)載，使用者可根據(jù)需要進(jìn)行處理。 總之，因?yàn)榛魻柶骷�的�?yīng)用原理簡(jiǎn)單，信號(hào)處理方便，器件本身又具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用組合千變?nèi)f化。作為一種磁場(chǎng)傳感器和磁電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)器件，隨著人們對(duì)它的熟悉和了解，它們將象其他傳感器等基礎(chǔ)器件一樣，在各種信息采集和處理中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。