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    浅谈霍尔传感器的原理及在电力仪表中的应用

    2020-07-24 10:48:53  来源:安科瑞电子商务

    关键词:霍尔效应;霍尔元件;霍尔传感器;电力仪表;应用

    十九世纪七十年代,美国物理学家霍尔(A.H.Hall,1855—1938)在研究金属导体的导电机构时发现了霍尔效应。目前,广泛应用于电力仪表中的霍尔传感器就是利用霍尔效应制作的一种传感器。霍尔传感器是一种以霍尔效应的应用为基础,能够将被测非电量参数转化为电量参数的传感器装置,具有高灵敏性、高稳定性、耐高温、体积小、抗冲击性等优点。现阶段,霍尔传感器已经由传统的单个霍尔元件阶段发展到集成电路阶段,并广泛应用于汽车工业、自动化、信息处理等各个领域。本文分别从霍尔效应、霍尔元件、霍尔传感器三个方面对霍尔传感器进行简要概述,并进一步阐述了霍尔传感器对电力仪表的电流、压力、转速等参数测量的应用情况,期望能够为相关方面的研究提供参考,提高霍尔传感器的应用价值。

    1霍尔传感器的基本概述
    1.1霍尔效应
    霍尔效应是由于物体运动产生的电荷受到磁场作用力和电场作用力的共同影响而产生的,属于电磁效应的一种现象。霍尔效应首先是在研究金属导体的时候发现的,后来在半导体和导电流体中也发现了这种现象,并且比金属导体强的多。当载流导体装置处于静止状态,并且置于磁场运行系统中时,如果该导体的电流运动方向与磁场的运动方向不一致的时候,该载流导体装置上平行于磁场方向和电流方向的两个不同面之间会产生一个电压,即电动势,这个电动势就叫做霍尔电动势,而这种现象就是霍尔效应。霍尔效应从发现至今100多年的时间,经历了三个阶段:一阶段,由于没有得到充分的重视,应用价值不大,基本处于停顿状态;二阶段,随着半导体材料的广泛应用,推动了霍尔元件的应用;三阶段,随着集成电路的快速发展,人们开始将霍尔元件进行集成,形成霍尔传感器,并实现了工业化,目前得以广泛的应用。

    1.3霍尔元件
    霍尔元件是在发现霍尔效应的基础上发展起来的一种特殊的磁敏感元件。它是以半导体为材料,选择溅射工艺进行制作形成的,具有体积小、性能高、成本低等显著优点,广泛应用于计算机、自动化、测量等领域。由于半导体材料的使用,使霍尔元件的敏感性大幅度提高,能够有效的感应到温度等参数的变化情况。一般情况下,霍尔元件分为霍尔线性器件和霍尔开:关器件两种类型。霍尔线性器件能够直接检测出受测体本身的磁特性,能够输出模拟信号,一般用于测量电流、电压等参数。霍尔开关器件根据感应方式的不同分为单极性、双极性和全极性三种类型,主要用于输出数字量。如果在运行过程中霍尔元件测量得到不同的电阻值,会导致磁场产生的电阻也不稳定。因此,为了保证霍尔:元件的高效运行,在使用期装置时,应配置一个与磁场运行系统对应的电势补偿电路和温度补偿电路。

    1.3霍尔传感器
    霍尔传感器是指基于霍尔效应,将霍尔元件与补偿电路、稳压电源、放大器等装置集成在同一个芯片中形成的一种磁场传感器。其中稳压电源能够为控制电路提供必要的电源支持,保证控制电路的正常运行,并且能够对整个传感器系统进行调节,包括电流和电阻的调节。根据霍尔元件分类的不同,霍尔传感器同样分为线型传感器和开关传感器两种类型。线型霍尔传感器输出的电压与磁场强度在一定的磁感应强度范围内呈线性关系,一般适应于电流和电压等参数的测量;开关型霍尔传感器主要输出数字量,具有无磨损、无抖动、精度高、输出波形清晰等显著优点。由于霍尔传感器中的霍尔元件能够在恒定的磁场系统中进行转动。因此,霍尔电动势可以直观的反映霍尔传感器运行过程中的转角参数变化的状况。

    2霍尔传感器在电力仪表中的应用
    霍尔传感器由于其高灵敏性、高稳定性、耐高温、体积小、抗冲击性等显著优点,广泛应用于汽车工业、自动化、信息处理等各个领域。其中,在电力仪表领域中的应用尤为突出。霍尔传感器在电力仪表中的应用主要包括电流、压力、转速等参数的测量,具体内容如下:

    2.1对电力仪表电流的测量
    电力仪表运行时的电流参数的测定,需要霍尔传感器按如下方法实现:首先,在测量电流时,将通电的导线置于安装有霍尔元件的整个磁场运行系统中。在此条件下,电力仪表运行过程中会有一定的电流通过导线,在磁场运行系统中的霍尔元件便会产生一定的电压信号。如果测量区域中的霍尔传感器的电流的大小和电流的流向发生变化,磁场运行系统中相对应的电压信号势必会发生变化。由于霍尔传感器中有放大器装置,这样的变化波动会同时促使传感器装置感应到电压信号的变化,并通过放大器装置对其进行二次整流和放大后,获得电流值大小,即完成电流的测量任务。

    2.2对电力仪表压力的测量
    电力仪表运行时的油压等压力参数测定的实现,其关键点在于电力仪表运行时,霍尔传感器装置能够将运行过程中出现的非电量信号转变为电量信号。使用霍尔传感器对电力仪表的压力参数进行测量时,需要按如下方法实现:首先,将霍尔传感器的各部分元件固定在电仪仪表系统中的弹性薄膜、波尔登管等弹性元件的一侧。在电力仪表运行过程中,系统中的弹性元件会在压力作用下产生一定的位置变化,而且这种位移变量同时会对霍尔元件的位置产生作用,使其在具有线性变化的磁场中进行有规律的移动,会产生并且输出与此规律性移动相对应的霍尔电动势。但是,由于弹性薄膜、波尔登管等弹性元件的弹性位移变化范围一般比较小,仅能够支持变化范围比较微小的参数的检测。同时,由于当前我国在此方面的技术条件还不够成熟。因此,目前霍尔传感器多用于电力仪表中油压等微小压力的测量工作。

    2.3对电力仪表转速的测量
    电力仪表运行时的转速参数的测定,需要霍尔传感器按如下方法实现:首先,将一个能够独立运行的圆盘装置置于待测转速的转轴之中。同时,这个圆盘装置要尽可能的靠近霍尔传感器装置及其所处的磁场运行系统中。在磁场系统运行过程中,圆盘装置会通过自身的转动作用使其磁阻参数随着气隙的变化剧样产生周期性的变化。霍尔传感器之所以能够对电力仪表的转速参数进行测量,主要通过以下两种方式实现:一,在增设的嘲盘装置外部边缘粘贴’一个小磁钢装置,并将霍尔传感器装置置于其附近。在转动圆盘装置的过程中,粘贴的小磁钢装置会转动到霍尔传感器附近,并输出相应的磁脉冲信号。二,在增设的圆盘装置背面粘贴一个小磁钢装置,并且同时接近正在转动的齿轮装置。在齿轮装置转动的过程中,会同时引发霍尔传感器的磁感应状态,并输出相应的磁脉冲信号。以上两种方式输出的脉冲信号,通过放大器装置对其进行二次整流和放大后,可以实现对电力仪表转速的测量工作。

    3安科瑞霍尔传感器产品选型
    3.1产品介绍
    霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

    3.2产品选型
    3.2.1开口式开环霍尔电流传感器

    3.2.2闭口式开环霍尔电流传感器


    3.2.3闭环霍尔电流传感器

    3.2.4直流漏电流传感器

    4结束语
    综上所述,霍尔传感器作为检测的基本工具,能够将被测非电量参数转化为电量参数,实现对不同过程的控制。由于雀尔传感器本身具有高灵敏性、高稳定性、耐高温、体积小、抗冲击性等显著优点,不仅在汽车工业、自动化、信息处理等领域应用广泛,而且对电力仪表运行过程中电流、压力、转速等参数的测量也表现出良好的应用价值和潜在优势。因此,通过本文对霍尔传感器概况的分析和在电力仪表领域的应用分析,期望能够为相关方面的研究提供参考,提高霍尔传感器的应用价值。

    【参考文献】
    [1]白韶红.集成霍尔传感器的发展[J].自动化仪表.2003.24(3):1-9
    [2]季建珍.霍尔传感器在电气仪表中的应用
    [3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2019.11版

    作者简介:王蒙蒙,现任职于安科瑞电气股份有限公司,主要从事隔离式安全栅研究发展。


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