霍尔电流传感器11-4

霍尔电流传感器的结构性能分析与应用论文作者:朱晓松论文框架绪论

霍尔效应及霍尔元件分析

霍尔电流传感器的研究霍尔电流传感器在逆变焊机中的应用结论123451

绪论

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，传感器亦称换能器、变换器。它是将能感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件（转换电阻）组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。

霍尔传感器是应用最为广泛的传感器之一，它是基于霍尔效应的原理制成的，它的出现推动了传感器技术的发展。2霍尔效应及霍尔元件

如图2-3所示将通有电流的金属薄片（霍尔元件）置于磁场中,其中电流方向由a流向b，磁场方向与控制电流方向正交，此时导体中的自由电子受洛伦兹力的作用而向d发生偏转，从而使导体的c、d两侧出现一个电势差，这一现象称为霍尔效应。该电势差即为霍尔电压UH，它与磁感应强度B及电流IH成正比。霍尔电压UH可用下式表示：UH

=KHIHBKH称为霍尔元件的灵敏度,IH为流经霍尔元件的电流,B为加在霍尔元件上的磁场强度.○○HabcdUHIHEb图2-3霍尔元件的外部结构示意图霍尔元件常用电路符号如下图所示：霍尔元件的材料常用GaAs（砷化镓）和InSb（锑化铟）使用这种材料的霍尔元件都具有良好的线性。霍尔元件的特性有两种，即线性特性和开关特性，如图2-5所示。图中直线1为线性特性，磁通计中传感器大多采用具有此特性的霍尔元件；曲线2为开关特性，低磁场时磁通饱和；此特性因磁体本身的材料及形状不同而异，直流无刷电动机的控制用传感器，一般采用具有此特性的霍尔元件。○○○H单端输出○○○○H双端输出

霍尔元件的偏置电路如图2-6所示。图（a）是没有外接电阻的电路，用于输入电阻Ri较大的电路。该电路的霍尔电流IH=Eb/Ri

，磁阻效应影响较大；采用恒压驱动方式；用InSb材料的霍尔元件温度特性好。图（b）是电源正端接电阻的电路，用于Ri较小的电路，如果R>>Ri

，磁阻效应影响小；为恒流驱动方式；霍尔电流IH=Eb/(R+Ri)，UB较小；UB=+1/2Ri×IH；用InSb材料的霍尔元件温度特性差。

123-1-2-30.10.20.3-0.1-0.2-0.321图2-5

霍尔元件的特性UH/VB/GS

图（c）是电源负端接电阻的电路，当Ri较小时，若R>>Ri，磁阻效应影响小；为恒流源驱动方式；霍尔电流IH=Eb/(R+Ri)；UB较大，UB

=(1/2Ri+R)×IH，用InSb材料的霍尔元件温度特性差。

图2-6

霍尔元件的偏置电路（a）没有外接电阻的电路；（b）电源正端接电阻的电路；（c）电源负端接电阻的电路○○

(a)(b)○H(c)H○○H○EbEbEbIHIHIHRiRiRiRRUBUB3霍尔电流传感器的研究1霍尔效应开环电流传感器

如图3-2所示，霍尔效应开环电流传感器的工作原理是当电流通过一根长直导线时，导线周围即有磁场产生，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料聚集，然后用霍尔器件来检测，由于测得的信号大小可以直接反映出电流的大小，控制电流IC是由恒流源供给。因此可利用霍尔元件测得的信号大小，来反映被测电流的大小。这种测电流的方法又称为直测法。○+-B○-+AIPIC图3-2霍尔效应开环电流传感器

测量信号UH经运算放大器放大后，输出一个电压或电流信号，此霍尔电流传感器可用于测量直流、交流和其它复杂波形的电流，并且功耗低、尺寸小、重量轻，相对来说，价格较低，抗干扰能力强，很适应于一般工业应用的智能仪表。但由于有随电流增大，磁芯有可能出现磁饱和以及频率高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高等，从而使其精度、线性度变差，响应时间较慢，温度漂移较大，同时它的测量范围、带宽等也会受到一定限制。2霍尔效应闭环电流传感器

前一种开环电流传感器给出一个正比于放大的霍尔电压的UH输出电压UOUT而霍尔闭环电流传感器，则在开环的原理基础上，又加入了磁平衡原理。即将前述霍尔器件的输出电压进行放大，再经功率放大后，让输出电流通过次级补偿线圈，使补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，从而补偿原边磁场，使霍尔输出逐渐减小，这样，当原次级磁场相等时，补偿电流不再增大。实际上，这个平衡过程是自动建立的，是一个动态平衡，建立平衡所需的时间极短。平衡时，霍尔器件处于零磁通状态。磁芯中的磁感应强度极低,理想状态应为0,故不会使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。因此，与霍尔开环电流传感器相比，闭环做成的霍尔电流传感器的频带更宽，测试精度更高，响应时间更短。如图3-3所示：-A+IPIC○○○-+○取样电阻RMISIS○A+-图3-3霍尔效应闭环电流传感器

它由主电流、聚磁环、霍尔传感器、次级线圈、放大电路等部.分组成。其工作原理为:当主回路有一大电流IP流过时，在导线周围产生强磁场，这一磁场被聚磁器聚集，并感应霍尔器件，使它有一个信号输出。这一信号经放大器放大，输入至功率放大器，这时相应功率管导通，从电源获得一个补偿电流IS，由于这一电流IS要通过许多匝导线，多匝导线所产生的磁场与主电流IP产生的磁场相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，最后当IS与匝数相乘所产生的磁场与IP产生的磁场相等时，IS不再增加，霍尔器件就达到了磁平衡。上述过程在极短时间内完成，平衡所建立时间小于1微秒，并且这是一个动态平衡过程，一旦主电流IP的任何变化就会破坏这一平衡的磁场，磁场一旦失去平衡，霍尔器件便会有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过线圈，进行补偿。因此从客观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时刻皆与主电流的安匝数一模一样，但是由于匝数不一样，只要测得补偿线圈的小电流，就知道主电流大小。即：NPIP=NSISNP为主电流匝数；IP为主电流；NS为次级线圈匝数；IS为次级电流。例如：测量100A的直流电流；NP

=1，补偿绕组NS

=1000，匝数比为1：1000，IP一旦取一值，则在磁芯的气隙中感应出一个BP，在霍尔元件产生出一个UH电压，再通过一个电流发生器提供一个流经补偿绕组的电流IS，这样BS便产生了，它用来补偿BP，补偿电流IS为：IS=（NPIP）／NS=（1×100／1000）A=0.1A即：IS便是IP确切的映像值，也就是用户要测量的电流。闭环电流传感器能同时测量直流、交流和脉冲等任意其它复杂波形电流，其二次线圈测量电流与一次线圈被测电流之间完全电气隔离，它可对额定1mA～50KA的电流进行测量，且动态响应特性很好绝缘电压一般为2～12KV。具有与被测回路绝缘的特点，有很高的测量精度与很好的线性度，响应快，非常适应高精度智能仪表。4霍尔电流传感器在逆变焊机中应用

闭环霍尔电流传感器应用范围很广，目前已成功的应用于各种电源、逆变焊机、发电、电气传动、军用装备等工业及军用产品上面。下面以额定电流为300A的CHB-300S型闭环霍尔电流传感器说明这种传感器的应用。某型逆变焊机中设计选用了CHB-300S型闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，传感器的主要作用是隔离检测焊机的输出电流，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保焊机的输出功率不高于逆变焊机的额定功率。闭环霍尔电流传感器CHB-300S的应用，很好地实现了上述应用目的。(如图4-5所示)。CHB-300S150mAAC输入输出电流逆变器传感器CHB-300S工件负载

I图4-5CHB-300S霍尔电流传感器在逆变焊机的应用测试时，焊机的输出正端母线电流穿过CHB-300S的一次电流穿孔，由传感器CHB-300S输出电流，传感器的输出端与焊机逆变器的控制电路相连，它们的信号输出为150mA对应一次侧额定输人电流300A，依据此信号，由逆变器控制电路设定焊机的输出电流控制点，实现对焊机的输出电流的检测。通过设置传感器CHB-300S的输出信号，对焊机的输出电流加以限制，避免出现因焊机的输出功率过高而发生故障或损坏，以保证焊机的正常工作。5结论

本文对霍尔效应、霍尔电流传感器进行了深入的研究与分析，由于其诸多优点，它已在工业生产和科研试验中有着较为广泛的应用，它已经成为电磁测量技术领域中不可缺少的重要部分。对它的研究涉及到电磁理论、电子技术及计算机应用等多个学科的问题。许多国家从事霍尔传感器设备的研究已达数十年之久，但是至今仍没有能完全满足各个使用传感器方面所提出的计量和运转方面要求的方法和仪器标准，特别是在传感器测量的计量标准方面比较落后但是随着形势的不断发展，为了适应生产实际的需要，在测量方面，特别是在测量的稳定性和可靠性方面还有待我们不断完善和提高。本文主要做好原理分析，在分析得出结论的基础上，在实际中得到应用效果。主要研究工作和成果如下：（1）简述了传感器及霍尔电流传感器的背景、意义和发展现状，对各种主要原理特别是霍尔效应原理和霍尔元件的工作原理进行深入研究，为霍尔电流传感器的使用和实际应用建立良好的理论基础。（2）在深入研究两种工作模式的霍尔电流传感器测量原理、结构性能的