霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化
，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎。

 

霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕
，壽命長
，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油汙
、水汽及鹽霧等的汙染或腐蝕。

 

霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰

、無抖動、無回跳

、位置重複精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度範圍寬
，可達－55℃～150℃。

 

按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關器件 。前者輸出模擬量，後者輸出數字量。

 

按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為：直(zhi)接(jie)應(ying)用(yong)和(he)間(jian)接(jie)應(ying)用(yong)。前(qian)者(zhe)是(shi)直(zhi)接(jie)檢(jian)測(ce)出(chu)受(shou)檢(jian)測(ce)對(dui)象(xiang)本(ben)身(shen)的(de)磁(ci)場(chang)或(huo)磁(ci)特(te)性(xing)
，後(hou)者(zhe)是(shi)檢(jian)測(ce)受(shou)檢(jian)對(dui)象(xiang)上(shang)人(ren)為(wei)設(she)置(zhi)的(de)磁(ci)場(chang)，用(yong)這(zhe)個(ge)磁(ci)場(chang)來(lai)作(zuo)被(bei)檢(jian)測(ce)的(de)信(xin)息(xi)的(de)載(zai)體(ti)

，通(tong)過(guo)它(ta)
，將(jiang)許(xu)多(duo)非(fei)電(dian)、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力
、位置、位移

、速度
、加速度
、角度、角速度
、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控製。

 

2 霍爾效應和霍爾元件

 

2.1 霍爾效應

 

如圖1所示
，在一塊通電的半導體薄片上，加上和片子表麵垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側會出現一個電壓
，如圖1中的VH，這種現象就是霍爾效應，是由科學家愛德文·霍爾在1879年發現的。VH稱為霍爾電壓。

 

（a）霍爾效應和霍爾元件

 

這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)的(de)產(chan)生(sheng)，是(shi)因(yin)為(wei)通(tong)電(dian)半(ban)導(dao)體(ti)片(pian)中(zhong)的(de)載(zai)流(liu)子(zi)在(zai)磁(ci)場(chang)產(chan)生(sheng)的(de)洛(luo)侖(lun)茲(zi)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)，分(fen)別(bie)向(xiang)片(pian)子(zi)橫(heng)向(xiang)兩(liang)側(ce)偏(pian)轉(zhuan)和(he)積(ji)聚(ju)，因(yin)而(er)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)電(dian)場(chang)，稱(cheng)作(zuo)霍(huo)爾(er)電(dian)場(chang)。霍(huo)爾(er)電(dian)場(chang)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)場(chang)力(li)和(he)洛(luo)侖(lun)茲(zi)力(li)相(xiang)反(fan)，它(ta)阻(zu)礙(ai)載(zai)流(liu)子(zi)繼(ji)續(xu)堆(dui)積(ji)
，直(zhi)到(dao)霍(huo)爾(er)電(dian)場(chang)力(li)和(he)洛(luo)侖(lun)茲(zi)力(li)相(xiang)等(deng)。這(zhe)時(shi)
，片(pian)子(zi)兩(liang)側(ce)建(jian)立(li)起(qi)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)
，這(zhe)就(jiu)是(shi)霍(huo)爾(er)電(dian)壓(ya)。

 

在片子上作四個電極
，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。將各個電極焊上引線
，並將片子用塑料封裝起來，就形成了一個完整的霍爾元件（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是用來製作霍爾元件的材料的電阻率
，μn是材料的電子遷移率，RH是霍爾係數，l、W、t分別是霍爾元件的長
、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決定於元件所用的材料，I、W
、t和f(I/W)決定於元件的設計和工藝，霍爾元件一旦製成，這些參數均為常數。因此，式(1)～(3)就代表了霍爾元件的三種工作方式所得的結果。(1)式表示電流驅動，(2)式表示電壓驅動，(3)式可用來評估霍爾片能承受的最大功率。

 

為了精確地測量磁場
，常用恒流源供電
，令工作電流恒定，因而，被測磁場的磁感應強度B可用霍爾電壓來量度。

 

在一些精密的測量儀表中，還采用恒溫箱
，將霍爾元件置於其中，令RH保持恒定。

 

若使用環境的溫度變化，常采用恒壓驅動，因和RH比較起來，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
，同時元件的功耗也將增加。(3)式表達了VH能達到的極限——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 liangdalei
，qianzheshiyigejiandandehuoerpian，shiyongshichangchangxuyaojianghuodedehuoerdianyajinxingfangda。houzhejianghuoerpianhetadexinhaochulidianlujichengzaitongyigexinpianshang。

 

2.2.1 霍爾元件

 

霍爾元件可用多種半導體材料製作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導體異質結構量子阱材料等等。

 

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 霍爾元件的結構和輸出特性

 

這些霍爾元件大量用於直流無刷電機和測磁儀表。

 

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度B成比例，它的功能框圖和輸出特性示於圖2和圖3。

 

這類電路有很高的靈敏度和優良的線性度
，適用於各種磁場檢測。霍爾線性電路的性能參數見表3。

 

圖2 霍爾線性電路的功能框圖

 

圖3 霍爾線性電路UGN3501的磁電轉換特性曲線

 

表3 線性霍爾電路的特性參數

 

2.2.2.2 霍爾開關電路

 

霍爾開關電路又稱霍爾數字電路
，由穩壓器
、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通閾值BOP時，霍爾電路輸出管導通
，輸出低電平。之後
，B再增加，仍保持導通態。若外加磁場的B值降低到BRP時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點，BRP為釋放點，BOP－BRP=BH稱為回差。回差的存在使開關電路的抗幹擾能力增強。霍爾開關電路的功能框見圖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，(b)表示鎖定型霍爾開關的輸出特性。

 

(a) 單OC輸出 (b)雙OC輸出

圖4 霍爾開關電路的功能框圖

 

(a)開關型輸出特性 (b)鎖定型輸出特性

圖5 霍爾開關電路的輸出特性

 

一般規定
，當外加磁場的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標誌的一麵時，作用到霍爾電路上的磁場方向為正，北極接近標誌麵時為負。

 

鎖定型霍爾開關電路的特點是：當外加場B正向增加
，達到BOP時，電路導通，之後無論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導通態，隻有達到負向的BRP時，才改變為截止態，因而稱為鎖定型。霍爾開關電路的性能參數見表4。

 

表4 霍爾開關電路的特性參數

 

2.2.2.3 差動霍爾電路(雙霍爾電路)

 

它的霍爾電壓發生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框圖見圖6。

 

圖6 差動霍爾電路的工作原理圖

 

使(shi)用(yong)時(shi)在(zai)電(dian)路(lu)背(bei)麵(mian)放(fang)置(zhi)一(yi)塊(kuai)永(yong)久(jiu)磁(ci)體(ti)
，當(dang)用(yong)鐵(tie)磁(ci)材(cai)料(liao)製(zhi)成(cheng)的(de)齒(chi)輪(lun)從(cong)電(dian)路(lu)附(fu)近(jin)轉(zhuan)過(guo)時(shi)，一(yi)對(dui)霍(huo)爾(er)片(pian)上(shang)產(chan)生(sheng)的(de)霍(huo)爾(er)電(dian)壓(ya)相(xiang)位(wei)相(xiang)反(fan)
，經(jing)差(cha)分(fen)放(fang)大(da)後(hou)，使(shi)器(qi)件(jian)靈(ling)敏(min)度(du)大(da)為(wei)提(ti)高(gao)。用(yong)這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)製(zhi)成(cheng)的(de) 汽車齒輪傳感器 具有極優的性能。

 

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 霍爾器件的應用

 

3.1 應用的一般問題

 

3.1.1 測量磁場

 

shiyonghuoerqijianjiancecichangdefangfajiweijiandan，jianghuoerqijianzuochenggezhongxingshidetantou
，fangzaibeicecichangzhong，yinhuoerqijianzhiduichuizhiyuhuoerpiandebiaomiandeciganyingqiangdumingan，yinerbixulingcilixianheqijianbiaomianchuizhi，tongdianhoujikeyoushuchudianyadedaobeicecichangdeciganyingqiangdu。ruobuchuizhi，zeyingqiuchuqichuizhifenlianglaijisuanbeicecichangdeciganyingqiangduzhi。erqie，yinhuoeryuanjiandechicunjixiao，keyijinxingduodianjiance
，youjisuanjijinxingshujuchuli，keyidedaochangdefenbuzhuangtai，bingkeduixiafeng，xiaokongzhongdecichangjinxingjiance。

 

3.1.2 工作磁體的設置

 

用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產生工作磁場。例如，用一個5×4×2.5（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表麵上得到約2300高gao斯si的de磁ci感gan應ying強qiang度du。在zai空kong氣qi隙xi中zhong
，磁ci感gan應ying強qiang度du會hui隨sui距ju離li增zeng加jia而er迅xun速su下xia降jiang。為wei保bao證zheng霍huo爾er器qi件jian，尤you其qi是shi霍huo爾er開kai關guan器qi件jian的de可ke靠kao工gong作zuo
，在zai應ying用yong中zhong要yao考kao慮lv有you效xiao工gong作zuo氣qi隙xi的de長chang度du。在zai計ji算suan總zong有you效xiao工gong作zuo氣qi隙xi時shi
，應ying從cong霍huo爾er片pian表biao麵mian算suan起qi。在zai封feng裝zhuang好hao的de霍huo爾er電dian路lu中zhong
，霍huo爾er片pian的de深shen度du在zai產chan品pin手shou冊ce中zhong會hui給gei出chu。

 

yinweihuoerqijianxuyaogongzuodianyuan，zaizuoyundonghuoweizhichuanganshi
，yibanlingcitisuibeijiancewutiyundong，jianghuoerqijiangudingzaigongzuoxitongdeshidangweizhi，yongtaqujiancegongzuocichang，zaicongjiancejieguozhongtiqubeijianxinxi。

 

工作磁體和霍爾器件間的運動方式有：(a)對移；(b)側移；(c)旋轉；(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動方式

 

在遮斷方式中
，工作磁體和霍爾器件以適當的間隙相對固定
，用一軟磁（例如軟鐵）翼(yi)片(pian)作(zuo)為(wei)運(yun)動(dong)工(gong)作(zuo)部(bu)件(jian)，當(dang)翼(yi)片(pian)進(jin)入(ru)間(jian)隙(xi)時(shi)
，作(zuo)用(yong)到(dao)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)上(shang)的(de)磁(ci)力(li)線(xian)被(bei)部(bu)分(fen)或(huo)全(quan)部(bu)遮(zhe)斷(duan)，以(yi)此(ci)來(lai)調(tiao)節(jie)工(gong)作(zuo)磁(ci)場(chang)。被(bei)傳(chuan)感(gan)的(de)運(yun)動(dong)信(xin)息(xi)加(jia)在(zai)翼(yi)片(pian)上(shang)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)很(hen)高(gao)，在(zai)125℃的溫度範圍內
，翼片的位置重複精度可達50μm。

 

圖8 在霍爾器件背麵放置磁體

 

也可將工作磁體固定在霍爾器件背麵（外殼上沒打標誌的一麵），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測出物體上的特殊標誌（如齒
、凸緣、缺口等）

，得出物體的運動參數。

 

3.1.3 與外電路的接口

 

霍爾開關電路的輸出級一般是一個集電極開路的NPN晶體管，其使用規則和任何一種相似的NPN開關管相同。輸出管截止時，輸漏電流很小，一般隻有幾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輸出管的擊穿電壓（即規範表中規定的極限電壓）。輸出管導通時，它的輸出端和線路的公共端短路。因此

，必須外接一個電阻器（即負載電阻器）來限製流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為20mA），以免損壞輸出管。輸出電流較大時，管子的飽和壓降也會隨之增大
，使用者應當特別注意
，僅這個電壓和你要控製的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。

 

以與發光二極管的接口為例
，對負載電阻器的選擇作一估計。若在Io為20mA（霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流）
，發光二極管的正向壓降VLED=1.4V
，當電源電壓VCC=12V時，所需的負載電阻器的阻值

 

（4）

 

和這個阻值最接近的標準電阻為560Ω

，因此
，可取560Ω的電阻器作為負載電阻器。

 

用圖9表示簡化了的霍爾開關電路

，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

 

簡化的霍爾開關示意圖

 

圖10 霍爾開關與電路接口舉例

 

與這些電路接口時所需的負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於20mA
，可在霍爾開關電路與被控電路間接入電流放大器。

 

霍爾器件的開關所需的電流大於20mA，可在霍爾開關電路與被電路間接入電流放大器。

 

霍爾器件的開關作用非常迅速，典型的上升時間和下降時間在400nS範圍內
，優於任何機械開關。

 

3.2 應用實例

 

下xia麵mian我wo們men將jiang舉ju出chu一yi些xie應ying用yong實shi例li。這zhe些xie例li子zi僅jin是shi該gai類lei應ying用yong中zhong的de一yi種zhong，用yong同tong樣yang的de原yuan理li和he方fang法fa，使shi用yong者zhe可ke根gen據ju自zi己ji的de使shi用yong需xu要yao，設she計ji出chu自zi己ji的de應ying用yong裝zhuang置zhi。

 

3.2.1檢測磁場

 

用霍爾線性器件作探頭，測量10－6T～10T的交變和恒定磁場，已有許多商品儀器。這裏
，僅介紹一種用經過校準的UGN3503或A3515xinghuoerxianxingdianlulaijiancecichangdeciganyingqiangdudejianbianfangfa。dianluchuchangshi，gongchangketigongmeikuaidianludexiaozhunquxianhelingminduxishu。celiangshi，jiangdianludiyijiao（麵對標誌麵從左到右數）接電源，第二腳接地
，第三腳接高輸入阻抗（>10kΩ）電dian壓ya表biao，通tong電dian後hou
，將jiang電dian路lu放fang入ru被bei測ce磁ci場chang中zhong，讓rang磁ci力li線xian垂chui直zhi於yu電dian路lu表biao麵mian，讀du出chu電dian壓ya表biao的de數shu值zhi
，即ji可ke從cong校xiao準zhun曲qu線xian上shang查zha得de相xiang應ying的de磁ci感gan應ying強qiang度du值zhi。使shi用yong前qian
，將jiang器qi件jian通tong電dian一yi分fen鍾zhong，使shi之zhi達da到dao穩wen定ding。

 

用靈敏度係數計算被測磁場的B值時，可用

 

B=[Vout(B)－Vout(o)]1000/S

 

式中，Vout(B)=加上被測磁場時的電壓讀數，單位為V，Vout(o)=未加被測磁場時的電壓讀數
，單位為V，S=靈敏度係數
，單位為mV/G(高斯)，B=被測磁場的磁感應強度，單位為G。

 

3.2.2 檢測鐵磁物體

 

在霍爾線性電路背麵偏置一個永磁體，如圖11所示。圖11（a）表示檢測鐵磁物體的缺口，圖11（b）表示檢測齒輪的齒。它們的電路接法見圖12，(a)為檢測齒輪
，(b)為檢測缺口。用這種方法可以檢測齒輪的轉速。

 

圖11 用霍爾線性電路檢測鐵磁物體

 

圖12 用霍爾線性電路檢測齒口的線路

 

3.2.3 用在直流無刷電機中

 

zhiliuwushuadianjishiyongyongcizhuanzi，zaidingzideshidangweizhifangzhisuoxushuliangdehuoerqijian，tamendeshuchuhexiangyingdedingziraozudegongdiandianluxianglian。dangzhuanzijingguohuoerqijianfujinshi

，yongcizhuanzidecichanglingyitongdiandehuoerqijianshuchuyigedianyashidingziraozugongdiandianludaotong
，geixiangyingdedingziraozugongdian，chanshenghezhuanzicichangjixingxiangtongdecichang
，tuichizhuanzijixuzhuandong。daoxiayiweizhi，qianyiweizhidehuoerqijiantingzhigongzuo，xiaweidehuoerqijiandaotong，shixiayiraozutongdian，chanshengtuichichangshizhuanzijixuzhuandong。rucixunhuan
，weichidianjidegongzuo。qigongzuoyuanlishiyutu13。

 

zaizheli，huoerqijianqiweizhichuanganqidezuoyong，jiancezhuanzicijideweizhi，tadeshuchushidingziraozugongdiandianlutongduan，youqikaiguanzuoyong
，dangzhuanzicijiliqushi
，lingshangyigehuoerqijiantingzhigongzuo，xiayigeqijiankaishigongzuo，shizhuanzicijizongshimianduituichicichang，huoerqijianyouqidingzidianliudehuanxiangzuoyong。

 

無刷電機中的霍爾器件
，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開關電路。使用霍爾元件時
，一般要外接放大電路
，如圖14所示
，使用霍爾開關電路，可直接驅動電機繞組，使線路大為簡化，如圖15所示。

 

圖13 霍爾元件在無刷電機中的工作 （其中的HG為霍爾元件）

 

圖14 采用霍爾元件的電機驅動電路 （圖中的H為霍爾元件）

 

圖15 用CS2018霍爾開關鎖定電路直接驅動電機的線路示意圖（圖中的線圈為電機定子繞組）

 

鐵tie磁ci材cai料liao受shou到dao磁ci場chang激ji勵li時shi，因yin其qi導dao磁ci率lv高gao，磁ci阻zu小xiao
，磁ci力li線xian都dou集ji中zhong在zai材cai料liao內nei部bu。若ruo材cai料liao均jun勻yun，磁ci力li線xian分fen布bu也ye均jun勻yun。如ru果guo材cai料liao中zhong有you缺que陷xian，如ru小xiao孔kong、裂紋等
，在缺陷處
，磁力線會發生彎曲，使局部磁場發生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經過數據處理
，可辨別出缺陷的位置
，性質（孔或裂紋）和大小（如深度
、寬度等），圖16示出兩種用於無損探傷的探頭結構。(b)檢測線材用

 

(a)檢測板材用

 

圖16 用於無損探傷的兩種霍爾探頭

 

3.2.4 無損探傷

 

霍爾無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等方麵得到廣泛應用。

 

3.2.5 磁記錄信息讀出

 

用霍爾元件製成的磁讀頭
，如圖17所示，將寫頭和讀頭裝在同一外殼裏，采用長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，由於寫頭和讀頭間的間距很小，僅2.6mm，故可用一讀頭去監視幾分之一秒之前錄頭錄下的信息。

 

圖17 霍爾磁頭

 

霍(huo)爾(er)讀(du)頭(tou)的(de)輸(shu)出(chu)僅(jin)由(you)記(ji)錄(lu)信(xin)息(xi)的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)來(lai)決(jue)定(ding)，即(ji)使(shi)頻(pin)率(lv)到(dao)零(ling)
，輸(shu)出(chu)仍(reng)然(ran)恒(heng)定(ding)，且(qie)因(yin)讀(du)頭(tou)無(wu)電(dian)感(gan)，故(gu)可(ke)獲(huo)得(de)優(you)異(yi)的(de)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)。它(ta)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)也(ye)很(hen)小(xiao)

，約(yue)為(wei)0.01db/℃。采用適當的前置放大電路
，可在0℃～50℃範圍內保持±0.5db。

 

youyuhuoercidutoujubeizhexieyoudian
，yinerzaijisuanjizhongdedaohenzhongyaodeyingyong。tebiezaigaomiduchuizhijiludecipandexinxiduchuzhong，gengnengxianshiqiyouyuexing。zhuanjiayuyan，jinhoushinian，huoerdutouhenkenenghuizhanqucizutoudebufenshichang。

 

3.2.6 霍爾接近傳感器和接近開關

 

zaihuoerqijianbeihoupianzhiyikuaiyongjiuciti
，bingjiangtamenhexiangyingdechulidianluzhuangzaiyigeketinei，zuochengyigetantou，jianghuoerqijiandeshuruyinxianhechulidianludeshuchuyinxianyongdianlanlianjieqilai，gouchengrutu18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。

 

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

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於黑色金屬的自控計數，黑色金屬的厚度檢測
、距離檢測、齒輪數齒、轉速檢測、測速調速、缺口傳感
、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。

 

霍爾接近開關主要用於各種自動控製裝置，完成所需的位置控製，加工尺寸控製、自動計數
、各種計數
、各種流程的自動銜接、液位控製、轉速檢測等等。

 

3.2.7 霍爾翼片開關

 

霍爾翼片開關就是利用遮斷工作方式的一種產品，它的外形如圖20所示，其內部結構及工作原理示於圖21。

 

圖20 霍爾翼片開關的外形圖

 

圖21 霍爾翼片開關的內部結構和工作原理示意圖

 

翼片未進入工作氣隙時，霍爾開關電路處於導通態。翼片進入後，遮斷磁力線
，使開關變成截止態
，它的狀態轉變的位置非常精確，在125℃的溫度範圍內位置重複精度可達50nm。將(jiang)齒(chi)輪(lun)形(xing)翼(yi)片(pian)和(he)軸(zhou)相(xiang)連(lian)
，用(yong)在(zai)汽(qi)車(che)點(dian)火(huo)器(qi)中(zhong)作(zuo)為(wei)點(dian)火(huo)開(kai)關(guan)，可(ke)得(de)到(dao)準(zhun)確(que)的(de)點(dian)火(huo)時(shi)間(jian)，使(shi)汽(qi)缸(gang)中(zhong)的(de)汽(qi)油(you)充(chong)分(fen)燃(ran)燒(shao)，既(ji)可(ke)節(jie)約(yue)燃(ran)料(liao)，又(you)能(neng)降(jiang)低(di)車(che)輛(liang)排(pai)放(fang)的(de)尾(wei)氣(qi)的(de)汙(wu)染(ran)
，已(yi)在(zai)桑(sang)塔(ta)那(na)
，克(ke)萊(lai)斯(si)勒(le)等(deng)許(xu)多(duo)名(ming)車(che)中(zhong)使(shi)用(yong)。將(jiang)它(ta)們(men)用(yong)在(zai)工(gong)業(ye)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)，可(ke)作(zuo)為(wei)轉(zhuan)速(su)傳(chuan)感(gan)器(qi)、位置開關、限位開關、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中介紹的差動霍爾電路製成的霍爾齒輪傳感器
，如圖22所示，新一代的霍爾齒輪轉速傳感器，廣泛用於新一代的汽車智能發動機

，作為點火定時用的速度傳感器
，用於ABS（汽車防抱死製動係統）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是壓力調節器；3是控製器。在製動過程中，控製器3不斷接收來自車速齒輪傳感器1和車輪轉速相對應的脈衝信號並進行處理，得到車輛的滑移率和減速信號，按其控製邏輯及時準確地向製動壓力調節器2發出指令
，調節器及時準確地作出響應，使製動氣室執行充氣、保持或放氣指令，調節製動器的製動壓力，以防止車輪抱死，達到抗側滑、甩尾，提高製動安全及製動過程中的可駕馭性。在這個係統中，霍爾傳感器作為車輪轉速傳感器，是製動過程中的實時速度采集器


，是ABS中的關鍵部件之一。

 

在zai汽qi車che的de新xin一yi代dai智zhi能neng發fa動dong機ji中zhong，用yong霍huo爾er齒chi輪lun傳chuan感gan器qi來lai檢jian測ce曲qu軸zhou位wei置zhi和he活huo塞sai在zai汽qi缸gang中zhong的de運yun動dong速su度du，以yi提ti供gong更geng準zhun確que的de點dian火huo時shi間jian，其qi作zuo用yong是shi別bie的de速su度du傳chuan感gan器qi難nan以yi代dai替ti的de，它ta具ju有you如ru下xia許xu多duo新xin的de優you點dian。

 

（1）相位精度高，可滿足0.4°曲軸角的要求，不需采用相位補償。

 

（2）可滿足0.05度曲軸角的熄火檢測要求。

 

（3）輸出為矩形波
，幅度與車輛轉速無關。在電子控製單元中作進一步的傳感器信號調整時，會降低成本。

 

用齒輪傳感器，除可檢測轉速外，還可測出角度、角速度

、流量、流速、旋轉方向等等。

 

圖22 霍爾速度傳感器的內部結構

 

1.車輪速度傳感器2.壓力調節器3.電子控製器

圖23 ABS氣製動係統的工作原理示意圖

 

3.2.9 旋轉傳感器

 

按圖24suoshidegezhongfangfashezhiciti，jiangtamenhehuoerkaiguandianluzuheqilaikeyigouchenggezhongxuanzhuanchuanganqi。huoerdianlutongdianhou，citimeijingguohuoerdianluyici
，bianshuchuyigedianyamaichong。

 

(a)徑向磁極(b)軸向磁極(c)遮斷式

圖24 旋轉傳感器磁體設置

 

由此
，可對轉動物體實施轉數、轉速、角度
、角速度等物理量的檢測。在轉軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉動，便可構成流速
、流量傳感器。在車輪轉軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關電路，可製成車速表，裏程表等等，這些應用的實例如圖25所示。

 

圖25deketineizhuangyouyigedaicitideyelun
，citipangzhuangyouhuoerkaiguandianlu，beiceliuticongguandaoyiduantongru，tuidongyelundaidongyuzhixiangliandecitizhuandong，jingguohuoerqijianshi，dianlushuchumaichongdianya，youmaichongdeshumu
，keyidedaoliutideliusu。ruozhiguandaodeneijing，keyouliusuheguanjingqiudeliuliang。huoerdianluyoudianlan35來供電和輸出。

 

圖25 霍爾流量計

 

由圖26可見，經過簡單的信號轉換，便可得到數字顯示的車速。

 

利用鎖定型霍爾電路，不僅可檢測轉速
，還可辨別旋轉方向，如圖27所示。

 

曲線1對應結構圖（a）
，曲線2對應結構圖(b)，曲線3對應結構圖(c)。

 

圖26 霍爾車速表的框圖

 

圖27 利用霍爾開關鎖定器進行方向和轉速測定

 

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，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值隻由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖28示出3zhongchanshengtiducichangdecixitongjiqiyuhuoerqijianzuchengdeweiyichuanganqideshuchutexingquxian，jiangtamengudingzaibeicexitongshang
，kegouchenghuoerweiweiyichuanganqi。congquxiankejian
，jiegou（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關係，且分辨力可達1μm，結構（C）的靈敏度高
，但工作距離較小。

 

圖28 幾種產生梯度磁場的磁係統和幾種霍爾位移傳感器的靜態特性

 

用霍爾元件測量位移的優點很多：慣性小

、頻響快、工作可靠、壽命長。

 

以微位移檢測為基礎
，可以構成壓力、應力、應變
、機械振動
、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
，磁係統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。磁係統最好用能構成均勻梯度磁場的複合係統
，如圖29中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力後，使磁係統和霍爾元件間產生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的p～f(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。

 

圖29 幾種霍爾壓力傳感器的構成原理

 

3.2.10.2 霍爾應力檢測裝置

 

圖30示出用來進行土壤和砂子與鋼界麵上的法向和切向應力檢測的霍爾傳感器裝置。(a)檢測向切應力，(b)檢測壓應力。箭頭所指是施加的外力方向。在圖30(a)zhong，yiqishangyonggangzuochengshangxialianggekuaizi
，tamenzhijianyouliangtiaojiaoxideliangzhicheng，zaigangxiakuaishangzhiyixiaozhu，xiaoshangtieliangduiyongciti
，xingchengjunyuntiducichang

，zaishangkuaishangtielianggehuoerchuanganqi，shoujianqielizuoyonghou，zhichengliangfashengxingbian，shihuoerchuanganqihecichangjianfashengweiyi
，shichuanganqishuchufashengbianhua。youhuoerchuanganqideshuchukecongshixianxiaozhundequxianshangzhadeyugaizhuangzhixiangjiedeshahuotushoudaodejianqieyingli。

 

圖30 霍爾應力檢測裝置

 

圖30(b)decitigudingzaishoulihouchanshengxingbiandemopianshang，huoerchuanganqigudingzaiyiganshang。jianceyuanlitongshang。yingyongjianceyayinglideyuanli，kegouchengjiancezhongliangdezhuangzhi，chengzuohuoerchengzhongchuanganqi。

 

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構原理和靜態特性曲線。在盒體的O點上固定均質彈簧片S，片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H，H的(de)上(shang)下(xia)方(fang)裝(zhuang)上(shang)一(yi)對(dui)永(yong)磁(ci)體(ti)，它(ta)們(men)同(tong)極(ji)性(xing)相(xiang)對(dui)安(an)裝(zhuang)。盒(he)體(ti)固(gu)定(ding)在(zai)被(bei)測(ce)對(dui)象(xiang)上(shang)，當(dang)它(ta)們(men)與(yu)被(bei)測(ce)對(dui)象(xiang)一(yi)起(qi)作(zuo)垂(chui)直(zhi)向(xiang)上(shang)的(de)加(jia)速(su)運(yun)動(dong)時(shi)
，慣(guan)性(xing)塊(kuai)在(zai)慣(guan)性(xing)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)使(shi)霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)H產生一個相對盒體的位移，產生霍爾電壓VH的變化。可從VH與加速度的關係曲線上求得加速度。

 

圖31 霍爾加速度傳感器的結構及其靜態特性

 

3.2.10.4 霍爾振動傳感器

 

圖32所示為一種霍爾機械振動傳感器。圖中，1為霍爾元件，固定在非磁性材料的平板2上
，平板2緊固在頂杆3上，頂杆3通過觸點4與被測對象接觸，隨之做機械振動。元件1置於磁係統6中。當觸頭4靠在被測物體上時，經頂杆3，平板2使霍爾元件在磁場中按被測物的振動頻率振動，霍爾元件輸出的霍爾電壓的頻率和幅度反映了被測物的振動規律。

 

應當說明，在現代電子裝置中，上述應力
、壓力、加速度、振動等傳感器所得數據，都可經微機進行處理後直接顯示出被測量數據或將被測量數據供各種控製係統使用。

 

圖32 霍爾機械振動傳感器結構原理（待續）

 

3.2.10.5霍爾液位傳感器

 

圖33示出兩種霍爾液位檢測裝置。圖(a)的(de)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)，霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)裝(zhuang)在(zai)容(rong)器(qi)外(wai)麵(mian)
，永(yong)磁(ci)體(ti)支(zhi)在(zai)浮(fu)子(zi)上(shang)，隨(sui)著(zhe)液(ye)位(wei)變(bian)化(hua)，作(zuo)用(yong)到(dao)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)上(shang)的(de)磁(ci)場(chang)的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)改(gai)變(bian)
，從(cong)而(er)可(ke)測(ce)得(de)液(ye)位(wei)。圖(tu)(b)的結構比較複雜，但可實現自動測量。

 

在圖33(b)中，15是一個中空的非磁材料的管子，浮子19套在管子15外，可上下滑動
，在19的上端放著永磁21
，霍爾器件及其饋線和一根衝了許多孔的柔性帶在一起，吊在管子15內。多孔柔性帶像電影膠片一樣
，用絞盤39絞動，使之上下移動。當柔性帶帶著的霍爾器件接近浮子上的磁體21時(shi)，霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)將(jiang)輸(shu)出(chu)霍(huo)爾(er)電(dian)壓(ya)，校(xiao)準(zhun)霍(huo)爾(er)電(dian)壓(ya)和(he)浮(fu)子(zi)位(wei)置(zhi)的(de)關(guan)係(xi)

，即(ji)可(ke)由(you)所(suo)得(de)的(de)霍(huo)爾(er)電(dian)壓(ya)得(de)到(dao)容(rong)器(qi)中(zhong)液(ye)體(ti)的(de)液(ye)位(wei)。用(yong)這(zhe)種(zhong)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)實(shi)現(xian)遠(yuan)距(ju)離(li)自(zi)動(dong)檢(jian)測(ce)。

 

用(yong)霍(huo)爾(er)液(ye)位(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)檢(jian)測(ce)液(ye)位(wei)時(shi)，因(yin)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)在(zai)液(ye)體(ti)之(zhi)外(wai)，且(qie)係(xi)無(wu)接(jie)觸(chu)傳(chuan)感(gan)，在(zai)檢(jian)測(ce)過(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)產(chan)生(sheng)火(huo)花(hua)，且(qie)可(ke)實(shi)現(xian)遠(yuan)距(ju)離(li)測(ce)量(liang)
，因(yin)此(ci)，可(ke)用(yong)來(lai)檢(jian)測(ce)易(yi)燃(ran)、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、醫藥、交(jiao)通(tong)運(yun)輸(shu)中(zhong)有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)用(yong)途(tu)。盡(jin)管(guan)目(mu)前(qian)已(yi)有(you)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)的(de)液(ye)位(wei)計(ji)出(chu)現(xian)，但(dan)對(dui)上(shang)述(shu)各(ge)種(zhong)危(wei)險(xian)液(ye)體(ti)的(de)液(ye)位(wei)實(shi)測(ce)表(biao)明(ming)，霍(huo)爾(er)液(ye)位(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)其(qi)中(zhong)最(zui)好(hao)的(de)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)和(he)裝(zhuang)置(zhi)之(zhi)一(yi)。

 

3.2.10.6基於位移傳感的霍爾流量計

 

圖34給(gei)出(chu)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)的(de)霍(huo)爾(er)流(liu)量(liang)計(ji)。葉(ye)輪(lun)在(zai)流(liu)體(ti)推(tui)動(dong)下(xia)旋(xuan)轉(zhuan)，帶(dai)動(dong)螺(luo)杆(gan)旋(xuan)轉(zhuan)

，使(shi)磁(ci)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)上(shang)下(xia)移(yi)動(dong)。流(liu)速(su)高(gao)則(ze)位(wei)移(yi)量(liang)大(da)。用(yong)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)檢(jian)出(chu)位(wei)移(yi)而(er)獲(huo)得(de)流(liu)速(su)和(he)流(liu)量(liang)。

 

(a)

 

(b) 圖33霍爾液位傳感器

 

圖34基於位移傳感的霍爾流量計

 

圖35霍爾電流傳感器的構成原理

 

3.2.11實現電－磁－電的轉換

 

從所周知，在有電流流過的導線周圍會感生出磁場，該磁場與流過的電流的關係，可由安培環路定理求出。

 

用霍爾器件檢測由電流感生的磁場，即可測出產生這個磁場的電流的量值。由此，可以構成霍爾電流、電壓傳感器。

 

因yin為wei霍huo爾er器qi件jian的de輸shu出chu電dian壓ya與yu加jia在zai它ta上shang麵mian的de磁ci感gan應ying強qiang度du以yi及ji流liu過guo其qi中zhong的de工gong作zuo電dian流liu的de乘cheng積ji成cheng比bi例li，是shi一yi個ge具ju有you乘cheng法fa器qi功gong能neng的de器qi件jian
，因yin而er可ke用yong它ta檢jian測ce電dian功gong率lv，構gou成cheng具ju有you各ge種zhong特te殊shu功gong能neng的de霍huo爾er功gong率lv計ji和he霍huo爾er電dian度du表biao。

 

由輸入的電信號建立的磁場，經霍爾器件的作用，實現了磁電變換後
，又變成電信號輸出，這一變換實現了輸入－輸出信號間的電隔離，由此可構成隔離放大器
、隔離耦合器等許多新型產品。

 

3.2.11.1霍爾電流傳感器

 

霍爾電流傳感器的結構如圖35所(suo)示(shi)。用(yong)一(yi)環(huan)形(xing)導(dao)磁(ci)材(cai)料(liao)作(zuo)成(cheng)磁(ci)芯(xin)，套(tao)在(zai)被(bei)測(ce)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)的(de)導(dao)線(xian)上(shang)，將(jiang)導(dao)線(xian)中(zhong)電(dian)流(liu)感(gan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)聚(ju)集(ji)起(qi)來(lai)，在(zai)磁(ci)芯(xin)上(shang)開(kai)一(yi)氣(qi)隙(xi)，內(nei)置(zhi)一(yi)個(ge)霍(huo)爾(er)線(xian)性(xing)器(qi)件(jian)

，器(qi)件(jian)通(tong)電(dian)後(hou)
，便(bian)可(ke)由(you)它(ta)的(de)霍(huo)爾(er)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)得(de)到(dao)導(dao)線(xian)中(zhong)流(liu)通(tong)的(de)電(dian)流(liu)。圖(tu)35（a）所示的傳感器用於測量電流強度較小的電流，圖35(b)所示的傳感器用於檢測較大的電流。

 

實際的霍爾電流傳感器有兩種構成形式，即直接測量式和零磁通式。

 

3.2.11.1.1直接測量式霍爾電流傳感器

 

將圖35中霍爾器件的輸出（必要時可進行放大）songdaojingxiaozhundexianshiqishang，jikeyouhuoershuchudianyadeshuzhizhijiedechubeicedianliuzhi。zhezhongfangshideyoudianshijiegoujiandan，celiangjieguodejingduhexianxingdudoujiaogao。kecezhiliu、交流和各種波形的電流。但它的測量範圍、daikuandengshoudaoyidingdexianzhi。zaizhezhongyingyongzhong

，huoerqijianshicichangjianceqi，tajiancedeshicixinqixizhongdeciganyingqiangdu。dianliuzengdahou
，cixinkenengdadaobaohe；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗
、磁ci滯zhi損sun耗hao等deng也ye會hui隨sui之zhi升sheng高gao。這zhe些xie都dou會hui對dui測ce量liang精jing度du產chan生sheng影ying響xiang。當dang然ran
，也ye可ke采cai取qu一yi些xie改gai進jin措cuo施shi來lai降jiang低di這zhe些xie影ying響xiang，例li如ru選xuan擇ze飽bao和he磁ci感gan應ying強qiang度du高gao的de磁ci芯xin材cai料liao；製成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。

 

這類霍爾電流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便

，已得到極為廣泛的應用
，國內外已有許多廠家生產。

 

3.2.11.1.2零磁通式（也稱為磁平衡式或反饋補償式）霍爾電流傳感器

 

如圖36所(suo)示(shi)，將(jiang)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)
，再(zai)經(jing)電(dian)流(liu)放(fang)大(da)後(hou)

，讓(rang)這(zhe)個(ge)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)補(bu)償(chang)線(xian)圈(quan)，並(bing)令(ling)補(bu)償(chang)線(xian)圈(quan)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)和(he)被(bei)測(ce)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)，若(ruo)滿(man)足(zu)條(tiao)件(jian)IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0
，這時下式成立：

 

Io=Is(N2/N1)(5)

 

式中
，I1為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數，I2為補償繞組中的電流

，N2為補償繞組的匝數。由式（5）可知

，達到磁平衡時
，即可由Is及匝數比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與測量中的應用 （H為霍爾電流傳感器）

 

這(zhe)個(ge)平(ping)衡(heng)過(guo)程(cheng)是(shi)自(zi)動(dong)建(jian)立(li)的(de)，是(shi)一(yi)個(ge)動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)。建(jian)立(li)平(ping)衡(heng)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)極(ji)短(duan)。平(ping)衡(heng)時(shi)，霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)處(chu)於(yu)零(ling)磁(ci)通(tong)狀(zhuang)態(tai)。磁(ci)芯(xin)中(zhong)的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)極(ji)低(di)（理想狀態應為0），不會使磁芯飽和，也不會產生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當地選擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優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的負載電阻器，即可構成霍爾電壓傳感器。

 

霍爾電流傳感器的特點是可以實現電流的“無電位”檢測。即測量電路不必接入被測電路即可實現電流檢測，它們靠磁場進行耦合。因此，檢測電路的輸入
、輸出電路是完全電隔離的。檢測過程中
，被測電路的狀態不受檢測電路的影響
，檢測電路也不受被檢電路的景響。

 

霍爾電流傳感器可以檢測從直流到100kHz（通過仔細的設計和製作，甚至可以達到MHz級）的各種波形的電流
，響應時間可短到1μs以下。

 

由於這些優點，霍爾電流傳感器得到了極其廣泛的應用。3 2 12霍爾電流傳感器的應用

 

3.2.12.1 繼電保護與測量

 

如圖37所示，來自高壓三相輸電線路電流互感器的二次電流
，經三隻霍爾電流傳感器H（圖中隻畫出B相的一隻）

，按(an)比(bi)例(li)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)毫(hao)伏(fu)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)

，然(ran)後(hou)再(zai)經(jing)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)放(fang)大(da)及(ji)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)
，得(de)到(dao)符(fu)合(he)要(yao)求(qiu)的(de)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，送(song)微(wei)機(ji)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)或(huo)處(chu)理(li)。使(shi)用(yong)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)很(hen)方(fang)便(bian)地(di)實(shi)現(xian)了(le)無(wu)畸(ji)變(bian)、無延時的信號轉換。

 

3.2.12.2 在直流自動控製調速係統中的應用

 

在zai直zhi流liu自zi動dong控kong製zhi調tiao速su係xi統tong中zhong，用yong霍huo爾er電dian流liu電dian壓ya傳chuan感gan器qi代dai替ti電dian流liu互hu感gan器qi，不bu僅jin動dong態tai響xiang應ying好hao，還hai可ke實shi現xian對dui轉zhuan子zi電dian流liu的de最zui佳jia控kong製zhi以yi及ji對dui晶jing閘zha管guan進jin行xing過guo載zai保bao護hu，其qi應ying用yong線xian路lu如ru圖tu38所示。

 

圖38在直流控製中的應用

 

圖39霍爾電流傳感器在逆變器中的應用（CS為霍爾電流傳感器）

 

圖40 霍爾電流傳感器在UPS中的應用（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焊機中的應用

 

3.2.12.3 在逆變器中的應用

 

在逆變器中，用霍爾電流傳感器進行接地故障檢測
、直接側和交流側的模擬量傳感
，以保證逆變器能安全工作。應用線路如圖39所示。

 

3.2.12.4在不間斷電源中的應用

 

如圖40所示，霍爾電流傳感器1發出信號並進行反饋，以控製晶閘管的觸發角，電流傳感器2發出的信號控製逆變器，傳感器3控製浮充電源。用霍爾電流傳感器進行控製，保證逆變電源正常工作。由於其響應速度快
，特別適用於計算機中的不間斷電源。

 

3.2.12.5在電子點焊機中的應用

 

在電子點焊機電源中
，霍爾電流傳感器起測量和控製作用。它的快速響應能再現電流
、電壓波形，將它們反饋到可控整流器A
、B，可ke控kong製zhi其qi輸shu出chu。用yong斬zhan波bo器qi給gei直zhi流liu迭die加jia上shang一yi個ge交jiao流liu，可ke更geng精jing確que地di控kong製zhi電dian流liu。用yong霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi進jin行xing電dian流liu檢jian測ce
，既ji可ke測ce量liang電dian流liu的de真zhen正zheng瞬shun時shi值zhi，，又you不bu致zhi引yin入ru損sun耗hao，如ru圖tu41所示。

 

3.2.12.6用於電車斬波器的控製

 

電(dian)車(che)中(zhong)的(de)調(tiao)速(su)是(shi)由(you)調(tiao)整(zheng)電(dian)壓(ya)實(shi)現(xian)的(de)。將(jiang)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)其(qi)它(ta)元(yuan)件(jian)配(pei)合(he)使(shi)用(yong)，並(bing)將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)所(suo)有(you)信(xin)號(hao)輸(shu)入(ru)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，可(ke)確(que)保(bao)電(dian)車(che)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。其(qi)控(kong)製(zhi)原(yuan)理(li)示(shi)

 

圖42 霍爾電流傳感器在電車斬波器中的應用

 

圖43 在變頻調速電機中的應用（I
，R，S，T均為霍爾電流傳感器）

 

圖44 用於電能管理的霍爾電流傳感器

 

圖45 霍爾接地故障檢測器的原理和結構

 

於圖42。圖中
，SCR1是主串聯晶閘管，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在交流變頻調速電機中的應用

 

用變頻器來對交流電機實施調速，在世界各發達國家已普遍使用
，且有取代直流調速的趨勢。用變頻器控製電機實現調速
，可節省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昂貴的大功率晶體管。由於霍爾電流傳感器的響應時間短於1μs
，因此
，出現過載短路時


，在晶全管未達到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護，如圖43所示。

 

3.2.12.8用於電能管理

 

圖44給出一種用於電能管理的電流傳感器的示意圖。圖中，12是通電導線
，11是導磁材料帶，17是霍爾元件，19是霍爾元件的輸入、shuchuyinxian。youcigouchengdedianliuchuanganqi，keanzhuangdaopeidianxianlushangjinxingfuzaiguanli。huoerqijiandeshuchuhejisuanjilianjieqilai，duiyongdianqingkuangjinxingjiankong，ruofaxianguozai，bianjishishishoukongdexianluduankai，baozhengyongdianshebeideanquan。yongzhezhongzhuangzhi
，yekejinxingfuzaifenpeijidianwangdeyaokong、遙測和巡檢等。

 

3.2.12.9在接地故障檢測中的應用

 

zaipeidianhegezhongyongdianshebeizhong

，kekaodejiedishibaozhengpeidianheyongdianshebeianquandezhongyaocuoshi。caiyonghuoerdianliuchuanganqilaijinxingjiediguzhangdezidongjiance，kebaozhengyongdiananquan。tu45示出一種霍爾接地故障監測裝置。

 

3.2.12.10在電網無功功率自動補償中的應用

 

電(dian)力(li)係(xi)統(tong)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)的(de)自(zi)動(dong)補(bu)償(chang)，是(shi)指(zhi)補(bu)償(chang)容(rong)量(liang)隨(sui)負(fu)荷(he)和(he)電(dian)壓(ya)波(bo)動(dong)而(er)變(bian)化(hua)，及(ji)時(shi)準(zhun)確(que)地(di)投(tou)入(ru)和(he)切(qie)除(chu)電(dian)容(rong)器(qi)，避(bi)免(mian)補(bu)償(chang)過(guo)程(cheng)中(zhong)出(chu)現(xian)過(guo)補(bu)償(chang)和(he)欠(qian)補(bu)償(chang)的(de)不(bu)合(he)理(li)和(he)不(bu)經(jing)濟(ji)，使(shi)電(dian)網(wang)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)最(zui)佳(jia)。無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)的(de)自(zi)動(dong)采(cai)樣(yang)若(ruo)用(yong)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)
、電壓傳感器來進行
，在保證“及時、準確”上具有顯著的優點。因為它們的響應速度快，且無相位差，如圖46所示。

 

圖46 電網無功功率自動補償控製器的原理框圖

 

3.2.12.14霍爾鉗形電流表

 

將(jiang)磁(ci)芯(xin)做(zuo)成(cheng)張(zhang)合(he)結(jie)構(gou)，在(zai)磁(ci)芯(xin)開(kai)口(kou)處(chu)放(fang)置(zhi)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)，將(jiang)環(huan)形(xing)磁(ci)芯(xin)夾(jia)在(zai)被(bei)測(ce)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)的(de)導(dao)線(xian)外(wai)，即(ji)可(ke)測(ce)出(chu)其(qi)中(zhong)流(liu)過(guo)的(de)電(dian)流(liu)。這(zhe)種(zhong)鉗(qian)形(xing)表(biao)既(ji)可(ke)測(ce)交(jiao)流(liu)也(ye)可(ke)測(ce)直(zhi)流(liu)。圖(tu)48示出一種數字鉗形交流電流表的線路。

 

用鉗形表可對各種供電和用電設備進行隨機電流檢測。

 

3.2.13電功率測量

 

shifuzaidianyabianhuan，lingqiyuhuoerqijiandegongzuodianliuchengbili，jiangfuzaidianliutongrucixinraozuzhong，zuoweihuoerdianliuchuanganqidebeicedianliu，jikegouchenghuoergonglvji。youhuoerqijianshuchudehuoerdianyalaizhishigonglv，qigongzuoyuanlirutu49所示。

 

3.2.12.11在電力工頻諧波分析儀中的應用

 

在電力係統中
，電網的諧波含量用電力工頻諧波儀來進行測試。為了將被測電壓和電流變換成適合計算機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試對比，結果表明霍爾電流傳感器最為適用。對比結果如表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）

 

3.2.12.12在開關電源中的應用

 

近(jin)代(dai)出(chu)現(xian)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)，是(shi)將(jiang)電(dian)網(wang)的(de)非(fei)穩(wen)定(ding)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)變(bian)換(huan)成(cheng)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)的(de)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)裝(zhuang)置(zhi)。無(wu)論(lun)是(shi)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)型(xing)還(hai)是(shi)電(dian)流(liu)控(kong)製(zhi)型(xing)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)，均(jun)采(cai)用(yong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)調(tiao)製(zhi)
，借(jie)助(zhu)驅(qu)動(dong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)與(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)幅(fu)值(zhi)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)的(de)某(mou)種(zhong)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)來(lai)維(wei)持(chi)恒(heng)壓(ya)輸(shu)出(chu)。其(qi)中(zhong)，寬(kuan)度(du)變(bian)化(hua)的(de)脈(mai)衝(chong)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)的(de)采(cai)樣(yang)、傳感等均需用電流、電壓傳感器來完成。霍爾電流、電壓傳感器以其頻帶寬、響應時間快以及安裝簡便而成為首選的電流
、電壓傳感器。

 

3.2.12.13在大電流檢測中的應用

 

在冶金
、化工
、超導體的應用以及高能物理（例如可控核聚變）試(shi)驗(yan)裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)都(dou)有(you)許(xu)多(duo)超(chao)大(da)型(xing)電(dian)流(liu)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)。用(yong)多(duo)霍(huo)爾(er)探(tan)頭(tou)製(zhi)成(cheng)的(de)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)進(jin)行(xing)大(da)電(dian)流(liu)的(de)測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)，既(ji)可(ke)滿(man)足(zu)測(ce)量(liang)準(zhun)確(que)的(de)要(yao)求(qiu)，又(you)不(bu)引(yin)入(ru)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)
，還(hai)免(mian)除(chu)了(le)像(xiang)使(shi)用(yong)羅(luo)果(guo)勘(kan)斯(si)基(ji)線(xian)圈(quan)法(fa)中(zhong)需(xu)用(yong)的(de)昂(ang)貴(gui)的(de)測(ce)試(shi)裝(zhuang)置(zhi)。圖(tu)47示出一種用於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，可檢測高達到300kA的電流。

 

圖47（a）為G－10安裝結構
，中心為電流彙流排，(b)為電纜型多霍爾探頭，(c)為霍爾電壓放大電路。

 

(a)G－10安裝結構(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 霍爾鉗形數字電流表線路示意圖

 

圖49 霍爾功率計原理圖

 

(a)霍爾控製電路 (b)霍爾磁場電路

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，還可構成三相功率變送器
，用以檢測三相平衡或不平衡負載電路的三相有功功率和無功功率。圖50示出霍爾三相功率變送器的乘法器。將其霍爾電壓經濾波
、放大和輸出變換後，將三相功率量變成直流電壓和電流。直流電壓可供給遠動裝置
、巡檢裝置等
，直流電流可供給近距離測量及儀表等。三相功率變送器是實現電網自動化不可缺少的一個環節。

 

3.2.13.2構成電度表

 

在前述功率計後加上V/f變換及分頻計數，即可構成電度表
，加上磁卡讀出裝置

，可構成磁卡電度表。

 

圖51示出霍爾磁卡電度表的功能框圖。

 

以yi霍huo爾er器qi件jian為wei功gong率lv指zhi示shi器qi，還hai可ke構gou成cheng各ge種zhong各ge樣yang的de功gong能neng電dian表biao，在zai這zhe些xie電dian表biao中zhong加jia入ru一yi些xie功gong能neng電dian路lu可ke構gou成cheng例li如ru帶dai絕jue緣yuan缺que陷xian檢jian測ce的de電dian度du表biao
，竊qie電dian檢jian測ce電dian度du表biao等deng。以yi霍huo爾er器qi件jian的de基ji本ben功gong能neng為wei基ji礎chu
，還hai可ke能neng集ji成cheng多duo功gong能neng家jia用yong電dian表biao，可ke同tong時shi顯xian示shi電dian流liu、電壓，用電度數及電費

、功率因數、諧波電壓等等。霍爾電度表可能成為最佳的智能電度表之一。

 

3.2.14霍爾隔離放大器

 

霍爾隔離放大器的原理框圖示於圖52，是以霍爾元件為中心
，構成一個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製
、解調係統，使線路簡化。仔細調整電流比較儀的電路
，將放大器的頻帶大大展寬
，使之可達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、計算機技術、醫療和儀器儀表中有十分重要的應用。

 

3.2.15用作電磁隔離耦合器

 

yonghuoerdianliuchuanganqidegongzuoyuanli，kezuochengdianciouheqi。yongchujixianquandedianliukongzhihuoerqijiandeshuchu

，yongzhegeshuchuxinhaokongzhiqitadedianlu，jishoudaogelidexiaoguo，youdadaoouhedemude。yongzhezhongdianlukezuochenghuoerjidianqi
、過載保護器、通信線路的保護開關等等。

 

這種電磁耦合器既可做成開關式，也可做成模擬量輸出式。

 

此外
，用霍爾器件還可檢測異步電機的轉差率和轉速

；測量磁性材料的磁化強度、各向異性
、旋轉損耗和時間效應
；測量直流電機的電磁力矩等等；還可和熱磁材料組合起來
，構成熱磁開關。霍爾器件已實現的各種應用如表9所列。

 

zhelidejieshao


，chuhuoerdianliuchuanganqiwai，doujinjianshuleyingyongzhongcixinxidecaijihecidianzhuanhuandejiandanyuanli，duishuchuxinhaodechuliheyingyong，meiyouzuojutitaolun。haozaihuoerqijiandeshuchu，keyugezhongluojidianluzhijiejiekou，haikeyizhijiequdonggezhongxingzhi（例如電阻性、電感性等）的負載，使用者可根據需要進行處理。

 

總zong之zhi
，因yin為wei霍huo爾er器qi件jian的de應ying用yong原yuan理li簡jian單dan，信xin號hao處chu理li方fang便bian，器qi件jian本ben身shen又you具ju有you一yi係xi列lie的de獨du特te優you點dian
，使shi其qi應ying用yong組zu合he千qian變bian萬wan化hua。作zuo為wei一yi種zhong磁ci場chang傳chuan感gan器qi和he磁ci電dian轉zhuan換huan的de基ji礎chu器qi件jian
，隨sui著zhe人ren們men對dui它ta的de熟shu悉xi和he了le解jie，它ta們men將jiang象xiang其qi他ta傳chuan感gan器qi等deng基ji礎chu器qi件jian一yi樣yang，在zai各ge種zhong信xin息xi采cai集ji和he處chu理li中zhong發fa揮hui越yue來lai越yue重zhong要yao的de作zuo用yong。

 

 

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