发布日期：2022-10-09 点击率：238
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。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
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霍尔传感器的误差
霍尔传感器以无触点，体积小，结构简单等优点，在电测、自动控制和计算装置等方面得到了广泛应用。由于霍尔传感器产生误差的原因多，目前虽然采取了各种补偿措施，但仅用一种补偿电路很难有效地对各种误差进行补偿。为此，本文设计了一种电路，不用补偿电路就能有效地对各种误差进行补偿。
主要误差及产生原因
1．零位误差
零位误差是由不等位电势所造成的。产生不等位电势的主要原因是：2个霍尔电极没有安装在同一等位面上；材料不均匀造成电阻分布不均匀，控制电极接触不良，造成电流分布不均匀等。
2．寄生直流电势误差
产生寄生直流电势的主要原因是：控制极与霍尔极元件接触不良，形成非欧姆接触；2个霍尔电极大小不对称，使2个电极的热容量不同，散热状态不同，两极间出现温差电势，使霍尔元件产生温漂所致。
3．感应零位电势误差
霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔极分布不对称，霍尔端也有一定输出，其大小正比于磁场的脉动频率、磁感应强度的幅值和两霍尔电极引线构成的感应面积。
4．自励磁场零位电势误差
当霍尔元件通以控制电流时，此电流也会产生磁场，称自励磁场。当电极引线不对称时，元件两边磁感应强度不相等，将有自励场的零位电势输出。
5．温度误差
目前，为了消除以上误差，除在工艺上注意外，一般都采用电阻补偿电路进行补偿，但在较精密的测量中效果仍不理想。
消除各种误差的方法
所取的电位经运放A4组成的电压跟随器驱动电缆的屏蔽层，这样就较好地抑制了交流共模电压的干扰。图3所示的电路，适用于各种传感器电路。
霍尔传感器使用中的注意事项
（1）为了得到较好的动态特性和灵敏度，必须注意原边线圈和副边线圈的耦合，要耦合得好，最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径。
（2）使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度（故使用时要先接通电源和测量端M），发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。
（3）在大多数场合，霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力，一般在距离模块5-10cm之间存在一个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的，但当有更强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有：
① 调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小
② 在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩
③ 选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块。
（4）测量的最佳精度是在额定值下得到的，当被测电流远低于额定值时，要获得最佳精度，原边可使用多匝，即：IpNp=额定安匝数。另外，原边馈线温度不应超过８０℃。
霍尔传感器的特点（与普通互感器比较）
1、 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。
2、 原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。
3、 精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。
4、 线性度好：优于0.1%
5、 动态性能好：响应时间小于１μs跟踪速度di/dt高于50A/μs
6、 霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。
7、 工作频带宽：在0-100kHz频率范围内精度为１％。在０－５kHz频率范围内精度为0.5%。
8、 测量范围：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。
9、 过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的２０倍时，模块也不会损坏。
10、 模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。
11、 模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/μs的高压变化时，模块有自身屏蔽作用。
12、 模块的高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号，例如：在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。
13、 可靠性高：失效率：λ=0.43╳10-6/小时
14、 抗外磁场干扰能力强：在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流（2Ip）的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%，这对大多数应用，抗外磁场干扰是足够的，但对很强磁场的干扰要采取适当的措施。
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产生温度误差的原因：
1，敏感栅金属丝电阻本身随温度产生变化。
2，试件材料于应变丝材料的线膨胀系数不一，使应变丝产生附加形变而造成的电阻变化。
温度补偿方法：
1，电桥补偿法。这是一种常用和效果较好的补偿法。在被测试件上安装一工作应变计。
2，应变计自补偿法。自补偿应变计是一种特殊的应变计，当温度变化时产生的附加应变为零或互相抵消。
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但是由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制作霍尔元件，由于他的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器是一种当交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器。脉冲的幅度是由激励磁场的场强决定的。因此，霍尔传感器不需要外界电源供电。
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。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；I为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。
对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流 I 固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。
霍尔效应
一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流 I 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。
在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。
工作原理
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场强度。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。
半导体本身固有的特性、半导体制造工艺水平、环境温度变化、霍尔传感器的安装是否合理等，测量误差一般表现为零误差和温度误差。
传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
霍尔效应是2113电磁效应的一种，这5261一现象是美国物理学家霍尔（4102E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制1653时发现的。[1]当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。
中文名
霍尔效应
外文名
Hall
effect
表达式
Vh=BI/(nqd)
提出者
霍尔
提出时间
1879年
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应用
发展
相关效应
研究前景
发现
霍尔效应[2]
在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的电磁感应完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。
虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。
解释
在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a、b、d，磁场垂直ab平面。电流经过ad，电流I
=
nqv(ad)，n为电荷密度。设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH
/
a。设磁感应强度为B。
洛伦兹力
F=qE+qvB/c(Gauss
单位制)
电荷在横向受力为零时不再发生横向偏转，结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场
由实验可测出
E=
UH/W
定义霍尔电阻为
RH=
UH/I
=EW/jW=
E/j
j
=
q
n
vRH=-vB/c
/(qn
v)=-
B/(qnc)
UH=RH
I=
-B
I
/(q
n
c)
本质
固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。[4]
正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。[5]
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