霍尔电流传感器

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霍尔效应、霍尔元件与霍尔传感器

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霍尔效应、霍尔元件与霍尔传感器

发布日期:2018-07-10 作者: 点击:

1、简介


霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。所谓霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时,若在垂直于电流的方向施加磁场,则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显,而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。利用霍尔效应制成的各种霍尔元件,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。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。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。


2、霍尔效应及其本质



霍尔效应示意图


在式(1)中:若保持控制电流Ic不变,在一定条件下,可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小,由此建立了磁场与电压信号的联系,根据这一关系式,人们研制了用于测量磁场的半导体器件即霍尔元件。


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。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示:参加材料导电过程的不仅有带负电的电子,还有带正电的空穴。


3、霍尔元件及其应用


根据霍尔效应,人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此,在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。


由于通电导线周围存在磁场,其大小与导线中的电流成正比,故可以利用霍尔元件测量出磁场,就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适合于大电流传感。


若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中,则在该元件中将产生电流I,元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比,如果再测出该电磁场的磁场强度,则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。


如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上,当装在运动物体上的永磁体经过它时,可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数,则可以确定其运动速度。


4、霍尔传感器的分类


霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。(1) 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。(2) 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成,它输出数字量。


  按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。


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关键词:霍尔传感器,电流传感器,霍尔电流传感器

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