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(lái),由于電力電子器件的發(fā)展,變頻調(diào)速、逆變、斬波等新技術(shù)的應(yīng)用、電壓、電流的波形已不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波或直流。傳統(tǒng)的互感器顯然已不適于對(duì)該波形的測(cè)量。因此,很多國(guó)家都相繼進(jìn)行了非接觸式電流電壓傳感器的研究開(kāi)發(fā),其中尤以霍爾電流電壓傳感器被視為該項(xiàng)技術(shù)的代表。

　　霍爾傳感器，適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過(guò)霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)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(zhǎng)，安裝方便，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過(guò)載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　磁電流傳感器分類(lèi)和工作原理

　　磁電流傳感器的種類(lèi)很多，按照測(cè)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(yīng)(GMR)、巨磁阻抗(GMI)各向異性(AMR)、隧道效應(yīng)(TMR)、光學(xué)效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等等。

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

　　Rogowski 線圈不含磁性材料，所以沒(méi)有磁滯效應(yīng)和磁飽和現(xiàn)象，測(cè)量的范圍從數(shù)安培到幾千安培，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量回路與被測(cè)電流之間沒(méi)有直接的關(guān)系，具有測(cè)量范圍廣、精度高、穩(wěn)定性高、響應(yīng)頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)測(cè)量交流、直流和瞬態(tài)電流，用在繼電保護(hù)、可控硅整流、變頻調(diào)速等場(chǎng)合。

　　電流互感器是用來(lái)測(cè)量、保護(hù)、監(jiān)控用電設(shè)備的重要器件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，電流互感器的可靠性與整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常緊密。

　　電流互感器的基本原理圖如下圖所示。通過(guò)設(shè)計(jì)原邊與副邊的繞組匝數(shù)關(guān)系，用副邊的感應(yīng)電流值的大小去反應(yīng)原邊電流值的大小。由于電流互感器的特性，二次負(fù)載阻抗很小，接近于零，所以，對(duì)外部電路的要求較低。這是一種常見(jiàn)的交流測(cè)量方式。準(zhǔn)確度高、工藝成熟、制造方便，能滿足一般測(cè)量要求。

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

　　它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，在低頻小電流測(cè)量中，具有非常高的精度和快的響應(yīng)時(shí)間，在大電流測(cè)量中，會(huì)有很大的誤差。因?yàn)榉至髌鞯牟牧弦话闶倾~的合金，為了測(cè)量準(zhǔn)確，導(dǎo)體電阻不宜過(guò)小，但大電流會(huì)產(chǎn)生大量歐姆熱;如果減小導(dǎo)體電阻，又勢(shì)必增加分流器的尺寸，降低精度，提高生產(chǎn)的成本。一般分流器更適合于偏小的電流測(cè)量，其實(shí)物圖如下圖所示。

　　各向異性磁電阻(簡(jiǎn)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(qiáng)度和電流方向夾角的改變而變化。外部磁場(chǎng)施加到鐵磁性材料上，鐵磁材料的長(zhǎng)度方向上施加一個(gè)垂直于磁場(chǎng)的電流，鐵磁材料自身阻值的變化，可以轉(zhuǎn)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(duì)平行磁場(chǎng)的響應(yīng)迅速，主要應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、變速傳動(dòng)裝置、過(guò)載電流保護(hù)等領(lǐng)域。

　　AMR 磁阻電流傳感器工作原理

　　巨磁電阻效應(yīng)(GMR)，與 AMR 效應(yīng)相比， GMR 效應(yīng)具有更大的磁電阻變化率。磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)，較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化。這種現(xiàn)象在坡莫合金和鐵磁性材料中非常明顯。這種電流檢測(cè)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(jié)構(gòu)形式相差很大。巨磁阻元件對(duì)微弱磁場(chǎng)的敏感性更高，可以精確的測(cè)量直流和交流電流，具有尺寸小、寬響應(yīng)頻率、無(wú)殘余磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是工藝相對(duì)復(fù)雜，成本也較高。主要用于高精度小電流的測(cè)量。

　　光纖電流傳感器，是基于法拉第效應(yīng)來(lái)檢測(cè)電流大小的傳感器。通過(guò)測(cè)量光波在通過(guò)磁光材料時(shí)，其偏振面由于電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度的大小，來(lái)確定電流的大小。光纖電流傳感器，體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量帶寬、準(zhǔn)確度高、無(wú)飽和現(xiàn)象、抗電磁能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中電流的測(cè)量。

　　2 霍爾傳感器分類(lèi)和原理

　　閉環(huán)霍爾電流傳感器性能要優(yōu)于開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，可以測(cè)量任意波形的電流、主副線圈間絕對(duì)電氣隔離、電氣測(cè)量范圍寬、響應(yīng)時(shí)間短，在交直流測(cè)量中均可應(yīng)用。

　　2.1 霍爾效應(yīng)

　　霍爾效應(yīng)指的是，有小電流通過(guò)的一個(gè)半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，受到磁場(chǎng)作用影響電流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在控制電流的垂直方向上的半導(dǎo)體兩側(cè)形成了電壓差，該電勢(shì)差就是霍爾電壓。霍爾電壓的大小，與磁場(chǎng)強(qiáng)度和半導(dǎo)體內(nèi)通過(guò)的控制電流成正比。

　　根據(jù)霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度的正比例關(guān)系，設(shè)計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度一個(gè)因素的影響，進(jìn)而霍爾電壓的變化可以反應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。而磁場(chǎng)是由相應(yīng)電流產(chǎn)生的，與電流具有明確的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。這就是利用霍爾元件測(cè)量電流強(qiáng)度的基本原理。

　　2.2 霍爾電流傳感器的實(shí)際應(yīng)用類(lèi)型

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

　　當(dāng)在一根長(zhǎng)導(dǎo)線中通以電流時(shí)，在導(dǎo)線的周?chē)鷷?huì)有磁場(chǎng)產(chǎn)生，該磁場(chǎng)的大小與通過(guò)導(dǎo)線的電流成正比。利用薄半導(dǎo)體片的霍爾效應(yīng)，測(cè)量霍爾器件感應(yīng)生成的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大霍爾電壓后，可以直接測(cè)量霍爾電壓。直檢式霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本較低、能量效率高、檢測(cè)范圍廣及電耗低等;缺點(diǎn)是精度、線性度較差、響應(yīng)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(jù)磁場(chǎng)平衡原理工作的。原邊電流 在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使得霍爾元件上產(chǎn)生電壓偏差;電壓信號(hào)傳遞給放大器后，經(jīng)過(guò)放大的電流信號(hào)輸送給次級(jí)線圈(下圖中紅色繞組)，在次級(jí)線圈上感應(yīng)出的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，方向與原邊磁場(chǎng)相反。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整放大器輸出電壓， 原邊產(chǎn)生的磁場(chǎng)與次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在氣隙處互相抵消，從而使得半導(dǎo)體薄片處于零磁通的環(huán)境中。達(dá)到這種平衡狀態(tài)以后，檢測(cè)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(diǎn)是精度高、響應(yīng)時(shí)間快、溫漂小、線性度好及抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是測(cè)量范圍較固定，成本、能耗較高。

　　2 開(kāi)環(huán)霍爾與閉環(huán)霍爾的對(duì)比

　　1)帶寬不同，氣隙處的磁場(chǎng)始終在零磁通附近變化，由于磁場(chǎng)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(yīng)時(shí)間。實(shí)際的閉環(huán)式霍爾電流傳感器帶寬通常可以達(dá)到100kHz以上。而開(kāi)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(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器副邊輸出與磁芯氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而磁芯由高導(dǎo)磁材料制作而成，非線性和磁滯效應(yīng)是所有高導(dǎo)磁材料的固有特點(diǎn)，因此，開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器一般線性度角差，且原邊信號(hào)在上升和下降過(guò)程中副邊輸出會(huì)有不同。開(kāi)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(yīng)不對(duì)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(dá)0.2%。

　　3)開(kāi)環(huán)霍爾和閉環(huán)霍爾都存在磁飽和問(wèn)題，開(kāi)環(huán)問(wèn)題表現(xiàn)比較直接，當(dāng)原邊電流過(guò)大時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了磁化曲線的正常工作范圍，就會(huì)發(fā)生磁飽和;閉環(huán)霍爾在零磁場(chǎng)下工作，但遇到非正常情況也會(huì)出現(xiàn)磁飽和，簡(jiǎn)單說(shuō)當(dāng)副邊線圈未供電或者原邊電流過(guò)大時(shí)，磁飽和會(huì)發(fā)生。