霍尔传感器的工作原理、检测方法、特性参数及其优点用途
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏传感器。将通有电流的物体放在磁场中,如果电流方向与磁场方向互相垂直,则在与磁场和电流方向都垂直的方向上会产生横向电势差,这个现象称为霍尔效应,产生的电势差称为霍尔电压。采用产生霍尔效应显著的半导体材料制成霍尔器件,作为霍尔传感器中的磁电转换元件,可以进行电磁测量,如测量磁场、电流、电功率等磁物理量和电量。霍尔传感器还可以利用磁场作为媒介,对很多物理量实现非接触式测量,通过转换测量力、位移、振动、加速度、转速、流量等非电量,广泛应用于工业、交通、通信、自动控制、家用电器等各个领域。
霍尔传感器的工作原理
霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式,即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、(次级线圈)和放大电路等组成。
直放式电流传感器(开环式)
众所周知,当电流通过一根长导线时,在导线周围将产生一磁场,这一磁场的大小与流过导线的电流成正比,它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出,一般的
额定输出标定为4V。
磁平衡式电流传感器(闭环式)
磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器,即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈,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。
磁平衡式电流传感器的具体工作过程为:当主回路有一电流通过时,在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上, 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通,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,这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ,此时可以通过Is来平衡。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。
磁场中有一个霍尔半导体片,恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下,I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移,使该片在CD方向上产生电位差,这就是所谓的霍尔电压。
霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低,霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用,需要用机械的方法来改变磁感应强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关,当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时,磁场偏离集成片,霍尔电压消失。这样,霍尔集成电路的输出电压的变化,就能表示出叶轮驱动轴的某一位置,利用这一工作原理,可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器,它要有外加电源才能工作,这一特点使它能检测转速低的运转情况。
1-霍尔半导体元件 2-永久磁铁 3-挡隔磁力线的叶片
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=1
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