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霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。本站为大家整理的相关的分析霍尔传感器在电气仪表中的应用研究供大家参考选择。

  分析霍尔传感器在电气仪表中的应用研究篇一

  [摘要]霍尔传感器由于具有灵敏度高、线性好、稳定性高、体积小和耐高温等的特性,已广泛应用于各个领域,本文从电气系统检测仪表方面入手,着重介绍了霍尔传感器在电气仪表中的几种应用。

  [关键词]霍尔效应霍尔传感器电气仪表

  0、引言

  霍尔传感器是利用霍尔效应将被测非电量转换为电量的一种传感器。传感器位于研究对象与测试系统之间,是获取与检测信息的窗口。它可以直接测量电流、电压或磁场及微位移量,也可以间接测量振动、压力、压差、加速度等参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段,应用日益广泛。

  1、霍尔效应和霍尔元件

  霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场力、电场力作用的结果,置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间就会产生电动势,这种现象即霍尔效应,该电动势即为霍尔电动势。图1-1为一块长度为b、厚度为d的P型半导体,将它置于磁感应强度为B(z轴)的磁场中静止不动。当y轴方向有电流I流动时,设有一个负电子沿与I相反方向以速度υ运动,从而形成附加电场,称为霍尔电动势,即为

  式中B――磁感应强度;I――电流;RH――霍尔常数;d――霍尔元件的厚度;α――v与B间方向夹角。

  图1-1霍尔效应原理图

  霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。用半导体材料和溅射工艺制成的霍尔元件,具有尺寸小,成本低,性能好的优点。由于霍尔元件是用半导体材料制成的,对温度的变化比较敏感,这会造成霍尔电压的内阻随温度变化。在工艺方面,若两个霍尔电压输出电极不在同一个等位面上以及材料电阻率不均,则会产生不等位电势。因此在使用霍尔元件时,应有相应的温度补偿电路和不等位电势的补偿电路,这可采用恒流驱动或恒压驱动来实现。将霍尔元件、放大器、补偿电路及稳压电源等集成在一个芯片上就成了霍尔传感器。

  2、霍尔传感器的工作原理

  2.1基本电路

  霍尔传感器的基本电路如图1-2,控制电路由电源E供给,Rp为调节控制电流的大小的调节电阻,Rf为负载电阻。在磁场的作用下,负载上有电压输出。

  图1-2霍尔传感器的基本电路

  2.2.测量角位移α

  霍尔元件与被测物体连动,霍尔元件在一个恒定的磁场中转动,因而霍尔电动势反映了转角的变化,这个变化是非线性的。

  式中,α为B向量与控制电流I向量间的夹角。如将霍尔片的法向方向与B向量重合,则变换法向n即可得到不同α角,即获得不同的UH值。

  2.3测量直线位移

  式中,为c为积分常数。

  当x=0时,UH=c≠0,为了克服此缺点,可利用由数值相等、方向相反的两个直流磁场共同形成一个高梯度的磁场而成的磁路系统。

  设左边磁场为正,则输出由式(6-8)决定,而右边磁场为负,则输出为:

  这样,当霍尔片处于中间位置x=0时,UH=0,且位移x的左右方向可由霍尔电势的极性来表示。当kH、I、d被确定以后,磁场梯度越大,灵敏度就越高;磁场梯度越均匀,输出线性越好。用霍尔元件制成的位移传感器一般可用来测量1~2mm的小位移,其特点是惯性小、响应速度快。

  3、霍尔传感器在电气仪表上的应用

  霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好、寿命长、耐高低温和耐冲击等的优点,它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量,在其它检测方面也得到了广泛应用。在非电量的测量时,只要通过弹性敏感元件转换成角位移或线位移,再送入霍尔元件进行变换,即可得到霍尔电动势的输出。

  3.1测量转速

  测量转速时,在被测转速的转轴上安装一个圆盘,将霍尔元件及磁路系统靠近圆盘,圆盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性的变化,霍尔元件输出的微小脉冲信号经整流、放大后即可决定被测物的转速。

  3.2测量压力

  测量压力时,比如油压,只要把这种非电量的信号转换成位移量的变化即可。首先把霍尔元件固定在弹性元件(如波尔登管或弹性薄膜)的一端,由于弹性元件受压力作用,产生位移时将带动霍尔元件,使其在线性变化的磁场中移动,从而输出霍尔电动势。不过,由于弹性元件的弹性位移范围比较小,所以只能用于测量微小压力的变化。

  3.3测量电流

  测量电流时,使通电导线穿过安装有霍尔元件的磁场,当导线上有电流流过时,磁场中间的霍尔元件就会有电压信号产生,电流发生变化时,电压信号值也会随之发生变化,这种电压信号再经过整流、放大后即可得到相应电流值。

  4、结束语

  传感器是检测技术的必要工具,通过传感器可以把各种非电量转换成电量信号,从而达到控制的目的,因此,各个领域的研究几乎都离不开各种各样的传感器。而由于霍尔传感器自身的特性,使其在电气仪表中得到了广泛的应用,增强了传感器对环境条件的适应性,提高了仪表的工作可靠性。

  本文来自《仪表技术与传感器》杂志

  分析霍尔传感器在电气仪表中的应用研究篇二

  摘要: 本文以霍尔传感器为研究对象,着眼于电气仪表工作实际,从霍尔效应及霍尔元件分析、霍尔传感器基本工作原理分析以及霍尔传感器在电气仪表中的应用分析这三个方面入手,围绕这一中心问题展开了较为详细的分析与阐述,并据此论证了霍尔传感器装置的应用在进一步提高电气仪表工作质量与工作效率的过程中所起到的至关重要的作用与意义。

  Abstract: This paper took the Hall sensor as the research object, aimed at the reality of electrical instrument work, made detail analysis and description from Hall effect and the Hall components analysis, basic work principle analysis of Hall sensor and the application of Hall sensor in electrical instrument, and demonstrated the essential role and significance of Hall sensor device in further improving the quality of electrical instrument work and work efficiency.

  关键词: 霍尔传感器;电气仪表;霍尔效应;元件;工作原理;应用;分析

  Key words: Hall sensor;electrical instruments;Hall effect;components;work principle;application;analysis

  中图分类号:TM92 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2012)34-0054-02

  0 引言

  何谓霍尔传感器呢?从理论上来说,霍尔传感器装置就是以霍尔效应的充分应用为前提,实现由被测非电量参数向电量参数进行转化的传感器装置。从霍尔传感器装置所处的结构的角度上来说,其位于测试系统与研究对象当中,最关键的应用目的在于检测并获取传感器控制区域中的各类参数信息。从当前技术条件支持下霍尔传感器装置的应用角度上来说,相关工作人员不仅能够借助于霍尔传感器装置的应用实现对电流、电压以及磁场微小位移量参数的直接性测量作业,同时也能够完成有关振动、压力、压差以及加速度参数的间接性测量作业。最值得注意的一点在于:现阶段的霍尔传感器装置已从分立元件发展到了集成电路应用阶段,其在电气仪表中的应用优势也日渐凸显。本文试对其做详细分析与说明。

  1 霍尔效应及霍尔元件分析

  1.1 霍尔效应分析:从产生角度上来说,霍尔效应是在运动电荷受电场作用力与磁场作用力影响而生成的产物。对于处在整个磁场运行系统当中的静止属性载流导体装置而言,在该导体磁场运动方向与电流运动方向出现不一致问题的情况下,静止属性载流导体装置当中平行于磁场运动方向与电流运动方向上的两个平面会发生一定的交互性作业,并产生与之相对应的电动势。这种由磁场运动方向与电流运动方向差异性所引发的电动势产生现象即本文所研究的霍尔效应,霍尔效应发生过程当中所产生的电动势即为霍尔电动势。在这一过程当中,有关霍尔电动势的计算可参考如下方式进行求解:霍尔常数/霍尔元件厚度参数·电流参数·磁场感应强度参数·sin(负电子运动速度与磁场横轴方向夹角参数)。

  1.2 霍尔元件分析:顾名思义,霍尔元件是基于霍尔效应所制成的元件,其从本质上来说属于磁敏元件的一种表现方式。在当前技术条件支持下,选用半导体材料与溅射工艺加以制作完成的霍尔元件装置在实际应用过程当中表现出了包括①尺寸小;②成本低;③性能高在内的多个方面优势。特别值得注意的一点在于:采用半导体材料加以制作完成的霍尔元件表现出了相对应温度指标的敏感性变化,从而使得霍尔电压的内阻值参数与温度参数的对应性变化趋势比较显著。与此同时,从霍尔元件的制造工艺角度上来说,假如两个霍尔元件电压在运行过程当中所输出的电机参数并不在同一个等位面当中,或者说霍尔元件运行过程当中所产生的材料电阻率参数存在不均性问题,则将直接导致磁场产生一定的不等为电势问题。从这一角度上来说,在对霍尔元件装置加以使用的过程当中,为确保霍尔元件运行的可靠性与高效性,整个磁场运行系统当中就应当配备相应的温度补偿电路与相对于不等为电势的补偿电路装置(在恒压驱动装置或是恒流驱动装置的作用之下加以实现)。基于此,工作人员将霍尔元件装置、放大器装置、补偿电路装置以及稳压电源装置集成在一个芯片当中即形成霍尔传感器。

  2 霍尔传感器基本工作原理分析

  2.1 霍尔传感器基本电路分析:图1为当前技术条件支持下霍尔传感器装置的基本电路结构示意图。由图:在整个霍尔传感器装置运行系统当中,电源装置负责为控制电路正常运行提供必要性电源支持,调节性电阻装置能够针对霍尔传感器运行系统当中的控制电流大小参数予以调节,并与系统中的负载电阻参数保持相对应的契合性。在此种结构作用之下,磁场控制区域当中的负载参数由电压予以输出。

  2.2 位移角测量作业分析:在整个磁场系统控制区域当中,霍尔传感器装置当中的霍尔元件始终于被测量物体呈现出联动作用关系。这也就是说,霍尔元件能够在一个环境条件恒定的磁场系统当中进行转动作业。从这一角度上来说,霍尔电动势能够对霍尔传感器装置在运行过程当中的转角参数变化情况予以直观反映。很明显,转角参数的变化是非线性的。特别值得注意的一点是:上文我们曾提到有关霍尔电动势参数的计算方式是按照“霍尔常数/霍尔元件厚度参数·电流参数·磁场感应强度参数·sin(负电子运动速度与磁场横轴方向夹角参数)”予以完成的。由此我们可以推导:霍尔电动势的输出参数=霍尔常数·sin(负电子运动速度与磁场横轴方向夹角参数)。换句话来说,如果将霍尔元件的法向延长方向与电磁感应强度参数变化向量保持重合状态,则可以通过对法向方向的变化得到不同的负电子运动速度与磁场横轴方向夹角参数,并最终导致霍尔电动势输出参数呈现出一定的差异性变化趋势。   2.3 直线位移测量作业分析:在霍尔传感器装置元件处于磁场系统控制区域的中间位置情况下,轴向位移的变化参数能够以霍尔电动势的输出参数方式予以确定。与此同时,在电流与霍尔元件厚度参数均保持恒定状态的情况下,越大的磁场梯度变化参数也就对应着越高的灵敏度变化趋势。更为关键的一点在于:越为均匀的磁场梯度变化也意味着霍尔传感器电动势输出线性的表现更为优越。从这一角度上来说,用霍尔元件制成的霍尔传感器装置能够对微小到1mm~2mm以内的位移行为予以测量,并且也表现出了较小的惯性与较高的响应速率。

  3 霍尔传感器在电器仪表中的应用分析

  3.1 霍尔传感器在电气仪表转速测量中的应用分析:在整个测量装置系统对转速进行测量的过程当中,现场作业人员可以在被测转速的转轴当中增设一个独立运行的圆盘装置。在装置结构的配备方面,作业人员应当尽可能的将所设置圆盘装置与磁路系统以及霍尔元件装置向靠近。在这一过程当中,圆盘装置的转动动作会使得磁路系统运行过程中的磁阻参数在系统气隙间隔发生改变的情况下做出与之相对应的变化行为,并且此种变化行为是周期性的。从霍尔传感器装置相对于电气仪表转速作业的实现而言,实现方式基本可以分为以下两个方面:①在非铁磁性材料圆盘装置的外边缘位置粘贴小磁钢装置,霍尔传感器开关装置固定在圆盘边缘附近。在圆盘装置呈显著转动作业的情况下,磁钢流经霍尔开关装置的情况下即产生并输出相应的脉冲信号;②将小磁钢粘贴在霍尔传感器开关装置的背面,同时接近处于转动状态的齿轮装置,在齿轮装置凹凸性运行的过程当中引发霍尔开关装置的磁感应行为,并在显著变化的磁感应强度参数引导之下输出相应的脉冲信号,其基本工作原理如图2所示。很明显,对于霍尔传感器而言,以上两种方式作用下所输出的微小脉冲信号在经由整流及放大处理的作用之下即能够实现对被测定物转速的测定作业。

  3.2 霍尔传感器在电气仪表压力测量中的应用分析:霍尔传感器在应用于电气仪表压力指标参数进行测量作业的关键在于:霍尔传感器装置能够将电气仪表应用过程当中所涉及到的各种非电量属性信号转换为位移量的变化指标参数。应用霍尔传感器装置辅助电气仪表装置进行压力测量可采取如下方式予以实现:相关工作人员可以先将霍尔传感器元件固定在电气仪表测量系统弹性元件的一侧。在此种方式作用之下,电气仪表测量系统弹性元件在承受压力参数作用的情况下势必会产生一定的位移移动变量,而此种移动变量势必会对霍尔元件的运行产生一定的带动作用,确保传感器能够在线性变化属性磁场当中进行规范性移动,生成并输出与移动指标量参数相对应的霍尔电动势。在当前技术条件支持下,霍尔传感器在电气仪表压力测量中的应用多适用于油压等变化微小的压力检测工作当中(造成此类问题的关键在于:电气仪表装置测量系统弹性元件的有效弹性位移变化范围是比较小的,仅能够支持变化微小的检测作业)。

  3.3 霍尔传感器在电气仪表电流测量中的应用分析:在电气仪表的运行过程当中,霍尔传感器装置对于电流指标参数的测定需要按照如下方式加以实现:要想应用霍尔传感器装置对实时电流参数予以测定,首先需要确保通电导线穿过配备有霍尔元件装置的磁场运行系统当中。在这一结构配备方式的作用之下,磁场运行系统当中的霍尔元件装置在电气仪表运行过程当中会产生相应的电压信号。这也就意味着,一旦霍尔传感器装置测定区域中的实时电流参数出现变化波动,系统当中与之相对应的电压信号值参数势必也会发生一定的变化波动。这种波动变化会促使霍尔传感器装置对所感应到的电压信号予以二次整流及放大处理,并获取与之相对应的电流值参数,从而完成对电流测量的相关工作。

  4 结束语

  很显然,霍尔传感器装置有着包括①结构简单;②体积参数小;③动态特性良好;④使用寿命长;⑤抗冲击性良好;⑥耐高低温性能优越在内的多个方面特点,从而在电气仪表实际作业过程当中表现出了极为突出的应用优势与潜在价值。总而言之,本文针对霍尔传感器在电气仪表中的应用问题做出了简要分析与说明,希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。

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