霍尔传感器原理

1、磁电传感器磁电效应将材质均匀的金属或半导体通电并置于磁场中，所产生的各种变化称为电磁效应。在金属或半导体薄片中通以控制电流I,并在薄片的垂 直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生电动势（霍尔电势）。这种现象称为霍尔效应。&若给通有电流的金属或半导体薄片加以与电流方向垂直的外磁场，不但产生霍尔效应，而且试件的电阻值会变大。畤虫磁阻效应。霍尔效应若将通有电流的导体置 于磁场B之中，磁场B（沿z轴）垂直于电流仏霍尔效应（沿x轴）的方向，如图 所示，则在导体中垂直 于B和仿的方向上出现一 个横向电位差4。方为霍尔畀I、II而Z间“J电位差霍尔效应的机理（一）将一块

2、厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场 B中，磁场B沿Z轴正方向。当电流沿X轴正方向通过半导体时，若薄片中 的载流子（设为自由电子）以平均速度u沿X轴负方向作定向运动，所受 的洛伦兹力为fB=evB.在心的作用下自由电子受力偏转，结果向板面积聚，同时在板而 “II”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电 场，使自由电子在受沿Y轴负方向上的洛伦兹力汗的同时，也受一个沿Y 轴正方向的电场力心。设E为电场强度，U.（即霍尔电压） ©兀将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有fB = fE 或 Ujj = vBb霍尔效应的机理（二）©设载流子浓

3、度为n,单位时间内体积为sdb里的载流子全部通过横 截面，则电流强度"与载流子平均速度曲勺关系为TIH = vdbne 或 v 二一Hdbne将IH = vdbne代入叭=vBb得叭二丄ne d式中一即为霍尔系数/?h。nen©考虑霍尔片厚度d的影响，引进一个重要参数,心=厶，nned则Uh二vEb式可写为UH =KhIhBKh称为霍尔元件的灵敏度。霍尔电压的特性1 在一定的工作电流人下，霍尔电压S与外磁场磁感应强 度B成正比。这就是霍尔效应检测磁场的原理。2在一定的外磁场中, 强度仿（工作电流） 原理。Kh【h霍尔电压比与通过霍尔片的电流 成正比。这就霍尔效应检测电流的I

4、H =khb霍尔效应的副效应(二)在测量霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，影响到测量的精确度, 这些副效应是：1. 不等位效应由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等 位面上，因此，当电流Ih流过霍尔元件时，即使不加磁场，两电 极间也会产生一电位差，称不等位电位差U。显然，U。只与电流 lc有关，而与磁场无关。2. 埃廷豪森效应(Etinghausen effect)由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，由于它 们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。动能大的 载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着 载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同

5、，形成一个横向温 度梯度，引起温差电压Ue，Ue的正负与咕、B的方向有关。3. 能斯特效应(Nernst effect)由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在 两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下, 建立一个横向电场En，因而产生附加电压Un。Un的正负仅取决 于磁场的方向。4里纪勒杜克效应(RighiLeduc effect)由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载 流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的 温度电压Url，Url的正、负只与B的方向有关，和电流咕的方向 无关。霍尔效应的副效应的消除方法由于附加电压的存

6、在，实测的电压，既包括霍尔电压Uh，也包括U。、Ue、 5和Url等这些附加电压，形成测量中的系统误差来源。但我们利用这 些附加电压与电流咕和磁感应强度B的方向有关，测量时改变咕和B的方 向基本上可以消除这些附加误差的影响。具体方法如下：当(+B, +IH)时测量，5 = Uh+Uo+Ue+Un+Url(1)当(+B,咕)时测量，U2=-UH-U0-UE+UN + URL (2)当(-B, -lH)时测量，U3=UH-U0+UE-UN-URL (3)当(-B, +咕)时测量，U4=-UH+U0-UE-UN-URL (4) 式(1) - (2) + (3) 一(4)并取平均值，则得Uh +Ue=

7、*(U-6+U3-U 这样处理后，除埃廷豪森效应引起的附加电压外，其它几个主要的附加电 压全部被消除了。但因Ue<<uh,故可将上式写为UH=(U1-U2+U3-U4)磁电式传感器的应用示波器电流探头&背景：随着科学技术的发展，电子技术的应用领域日益广泛，信号 的频率愈来愈高，对信号的分析要求愈来愈细致。用示波器 观察和检测电流信号的需求也日益频繁。探头对于示波器测量是非常关键的，把一个探头连结到一个 电路能影响电路的运行，并且，一台示波器仅仅能够显示和 测量探头传送的示波器输入信号。因此，探头对于被测回路, 必须有最小的影响，同时对想要做的测量应保证足够的信号 保真度。如

8、果探头不能保持信号的保真度，如果它以任何方 式改变信号或改变一个电路的动作，示波器将显示实际信号 的一个畸变的型式。其结果会导致出错的或者误导的测量。对示波器电流探头的要求：频率范围宽：从直流到几十甚至上百兆。幅度范围大：从毫安至千安。体积尺寸小：随着集成度的提高和信号频率的增加，元器件 的外型尺寸越来越小和引脚越来越短。操作方便准确度高现有技术条件：线圈耦合适合几k赫兹以上的电流。霍尔器件-适合直流至几十k赫兹的电流。示波器电流测量实例：Tektronix 503SA6302 ProbeA6303 Probe (Optional)AM503AAmpli1ier磁电式传感器的应用示波器电流探头

9、inverse or Bucking" CurrentOutput VoltageInput Bias CurrentMagnetic unes of ForceCurrent Probe TransformerBiasSupplyHall Preamplifier Power AmplifierAttenuator Output Amplifier Measurement Output系统在直流和低频交流时的工作原理 当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，相 应地，会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内 的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电 动势。系统根据这个电动势产

10、生一个反相（补偿） 电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零, 以防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流 值。用这个方法，能非常线性地测量大电流，包括 交直流混合的电流。磁电式传感器的应用示波器电流探头令系统在高频时的工作原理随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱。当测量一个不含直流成 分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探 头的线圈。探头就象一个电流变压器。系统直接测量的是感应电流， 而不是补偿电流。功放的输岀为线圈提供了一个低阻抗的接地回路。Current Probe Transform&rCoreProbe Coil磁电式传感器的应用示波器电流探头&

11、amp;系统在交叉区域时的工作原理当系统工作在20kHz的高低频交叉区域时，部分测 量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过 线圈实现的。图示(a)为被测电流波形。图示(b)为通过霍尔传感器产生的补偿电流波形。 图示(c)为直接感应到线圈的被测电流的高频部分。 图示(d)为系统综合两部分电流后得到的测试结果。(b) Low-FrequMcy Information from Hall Dwlce, Amplified and Applied to Input of Attenuator(c) High-Frequency Information from Transformer Applied

12、 to Input of Attenuator(d) Resultant Waveform Soon at tbQ Output of tho AM 503Aa Combine ton of (b) and (c)Figure 3-8: Waveform Components of the Current Probee Tektronix AM503A电流 探头放大器系统综述直流信号的路径源自霍尔传感器, 流经霍尔预放、功放、探头 线圈、衰减器，最终通过输 由放大密4俞出。交流信号的路径源自探头线圈， 流经衰减器，最终通过输出 放大鑒输由。Probe HailDQVtCQProbe Coil整个系统的增益由衰减器和输出 放大器的设置决定。这些电 路由微处理器集及其接口电 路控制。磁电式传感器的应用交流探头。因为他们设计上的原因，电流探头不能通过直流或低 频率信号。因此，他们的带宽必须用两个值详细说明，一个是低 频