霍爾電流傳感器是什么？霍爾電流傳感器的原理介紹

　　近年來,由于電力電子器件的發(fā)展,變頻調速、逆變、斬波等新技術的應用、電壓、電流的波形已不再是標準的正弦波或直流。傳統(tǒng)的互感器顯然已不適于對該波形的測量。因此,很多國家都相繼進行了非接觸式電流電壓傳感器的研究開發(fā),其中尤以霍爾電流電壓傳感器被視為該項技術的代表。

　　霍爾傳感器，適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD 、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，體積小，壽命長，安裝方便，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強等優(yōu)點。

　　磁電流傳感器分類和工作原理

　　磁電流傳感器的種類很多，按照測試原理可以劃分為：羅氏(Rogowski)線圈、電流互感器、分流器、巨磁阻效應(GMR)、巨磁阻抗(GMI)各向異性(AMR)、隧道效應(TMR)、光學效應、霍爾效應等等。

　　Rogowski 線圈測量電流的基本原理是電磁感應和安培環(huán)路定律，又叫電流測量線圈或者微分電流傳感器，如下圖所示。根據線圈上的感應電流信號與通過線圈的額電流變化率成正比的顧慮，通過積分還原一次回路電流值。這是一種交流電流的測量方法。

　　Rogowski 線圈不含磁性材料，所以沒有磁滯效應和磁飽和現象，測量的范圍從數安培到幾千安培，結構簡單，測量回路與被測電流之間沒有直接的關系，具有測量范圍廣、精度高、穩(wěn)定性高、響應頻率范圍寬等優(yōu)點，可以用來測量交流、直流和瞬態(tài)電流，用在繼電保護、可控硅整流、變頻調速等場合。

　　電流互感器是用來測量、保護、監(jiān)控用電設備的重要器件，廣泛應用于電力系統(tǒng)中，電流互感器的可靠性與整個系統(tǒng)的安全運行非常緊密。

　　電流互感器的基本原理圖如下圖所示。通過設計原邊與副邊的繞組匝數關系，用副邊的感應電流值的大小去反應原邊電流值的大小。由于電流互感器的特性，二次負載阻抗很小，接近于零，所以，對外部電路的要求較低。這是一種常見的交流測量方式。準確度高、工藝成熟、制造方便，能滿足一般測量要求。

　　分流器測量電流的基本原理是歐姆定律，是通過被測電流電路中串聯(lián)電阻兩端的電壓來測量直流電流。

　　它的結構簡單，使用方便，在低頻小電流測量中，具有非常高的精度和快的響應時間，在大電流測量中，會有很大的誤差。因為分流器的材料一般是銅的合金，為了測量準確，導體電阻不宜過小，但大電流會產生大量歐姆熱;如果減小導體電阻，又勢必增加分流器的尺寸，降低精度，提高生產的成本。一般分流器更適合于偏小的電流測量，其實物圖如下圖所示。

　　各向異性磁電阻(簡稱 AMR)電流傳感器，敏感元件的材料是坡莫合金。鐵磁材料具備一種特別的屬性，鐵磁材料的電阻率隨自身磁化強度和電流方向夾角的改變而變化。外部磁場施加到鐵磁性材料上，鐵磁材料的長度方向上施加一個垂直于磁場的電流，鐵磁材料自身阻值的變化，可以轉化為元件端電壓的變化。如下圖所示。各向異性磁電阻，靈敏度高，對平行磁場的響應迅速，主要應用在伺服系統(tǒng)、變速傳動裝置、過載電流保護等領域。

　　AMR 磁阻電流傳感器工作原理

　　巨磁電阻效應(GMR)，與 AMR 效應相比， GMR 效應具有更大的磁電阻變化率。磁性材料的電阻率在有外磁場作用時，較之無外磁場作用時存在巨大變化。這種現象在坡莫合金和鐵磁性材料中非常明顯。這種電流檢測手段，單從理論上描述，情形與前面的“各向異性磁電阻”非常近似，但其具體結構形式相差很大。巨磁阻元件對微弱磁場的敏感性更高，可以精確的測量直流和交流電流，具有尺寸小、寬響應頻率、無殘余磁場等優(yōu)點，但是工藝相對復雜，成本也較高。主要用于高精度小電流的測量。

　　光纖電流傳感器，是基于法拉第效應來檢測電流大小的傳感器。通過測量光波在通過磁光材料時，其偏振面由于電流產生磁場的作用，產生旋轉角度的大小，來確定電流的大小。光纖電流傳感器，體積小、質量輕、測量帶寬、準確度高、無飽和現象、抗電磁能力強等優(yōu)點，廣泛應用于電力系統(tǒng)中電流的測量。

　　2 霍爾傳感器分類和原理

　　閉環(huán)霍爾電流傳感器性能要優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，可以測量任意波形的電流、主副線圈間絕對電氣隔離、電氣測量范圍寬、響應時間短，在交直流測量中均可應用。

　　2.1 霍爾效應

　　霍爾效應指的是，有小電流通過的一個半導體薄片置于磁場中，受到磁場作用影響電流發(fā)生偏轉，在控制電流的垂直方向上的半導體兩側形成了電壓差，該電勢差就是霍爾電壓。霍爾電壓的大小，與磁場強度和半導體內通過的控制電流成正比。

　　根據霍爾電壓與磁場強度的正比例關系，設計裝置，提供恒定的控制電流，那么霍爾電流的大小就只收到磁場強度一個因素的影響，進而霍爾電壓的變化可以反應磁場強度的變化。而磁場是由相應電流產生的，與電流具有明確的聯(lián)動關系。這就是利用霍爾元件測量電流強度的基本原理。

　　2.2 霍爾電流傳感器的實際應用類型

　　1)直檢式霍爾電流傳感器又叫開環(huán)式霍爾電流傳感器、直放式霍爾電流傳感器

　　當在一根長導線中通以電流時，在導線的周圍會有磁場產生，該磁場的大小與通過導線的電流成正比。利用薄半導體片的霍爾效應，測量霍爾器件感應生成的電壓信號，經過放大器放大霍爾電壓后，可以直接測量霍爾電壓。直檢式霍爾電流傳感器的優(yōu)點是電路簡單、成本較低、能量效率高、檢測范圍廣及電耗低等;缺點是精度、線性度較差、響應速度較慢、且溫漂較大。

　　2)磁平衡式霍爾電流傳感器，又叫閉環(huán)霍爾電流傳感器、零磁通霍爾電流傳感器、零磁通互感器

　　磁平衡式霍爾電流傳感器是依據磁場平衡原理工作的。原邊電流 在聚磁環(huán)處所產生的磁場，使得霍爾元件上產生電壓偏差;電壓信號傳遞給放大器后，經過放大的電流信號輸送給次級線圈(下圖中紅色繞組)，在次級線圈上感應出的電流所產生的磁場，方向與原邊磁場相反。經過反復調整放大器輸出電壓， 原邊產生的磁場與次級線圈產生的磁場在氣隙處互相抵消，從而使得半導體薄片處于零磁通的環(huán)境中。達到這種平衡狀態(tài)以后，檢測放大器輸出電流，推算得到原邊回路電流值。 磁平衡式霍爾電流傳感器的優(yōu)點是精度高、響應時間快、溫漂小、線性度好及抗干擾能力強。缺點是測量范圍較固定，成本、能耗較高。

　　2 開環(huán)霍爾與閉環(huán)霍爾的對比

　　1)帶寬不同，氣隙處的磁場始終在零磁通附近變化，由于磁場變化幅度非常小，變化幅度小，變化的頻率可以更快，因此，閉環(huán)式霍爾電流傳感器具有很快的響應時間。實際的閉環(huán)式霍爾電流傳感器帶寬通常可以達到100kHz以上。而開環(huán)式霍爾電流傳感器的帶寬通常較窄，帶寬在3kHz左右。

　　2)精度不同，開環(huán)式霍爾電流傳感器副邊輸出與磁芯氣隙處的磁感應強度成正比，而磁芯由高導磁材料制作而成，非線性和磁滯效應是所有高導磁材料的固有特點，因此，開環(huán)式霍爾電流傳感器一般線性度角差，且原邊信號在上升和下降過程中副邊輸出會有不同。開環(huán)式霍爾電流傳感器精度通常劣于1%。閉環(huán)式霍爾電流傳感器由于工作在零磁通狀態(tài)，磁芯的非線性及磁滯效應不對輸出造成影響，可以獲得較好的線性度和較高的精度。閉環(huán)式霍爾電流傳感器精度一般可達0.2%。

　　3)開環(huán)霍爾和閉環(huán)霍爾都存在磁飽和問題，開環(huán)問題表現比較直接，當原邊電流過大時，磁場強度超過了磁化曲線的正常工作范圍，就會發(fā)生磁飽和;閉環(huán)霍爾在零磁場下工作，但遇到非正常情況也會出現磁飽和，簡單說當副邊線圈未供電或者原邊電流過大時，磁飽和會發(fā)生。