浅谈霍尔传感器在电子设备中的应用

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0摘要：本文介绍了霍尔传感器的原理、应用和发展情况，详细讨论了其在电子设备中的应用。霍尔传感器在电子设备中具有高精度、高灵敏度、高稳定性等特点，可以应用于磁场测量、位置检测、电流检测等多个领域。此外，霍尔传感器还具有广泛的应用前景，特别是在物联网、智能制造、自动驾驶等领域有着重要的应用价值。

关键词：霍尔传感器；电子设备；应用；

1霍尔传感器的发展背景

近年来，新一代功率半导体器件大量进入电力电子、交流变频调速、逆变装置及开关电源等领域。原有的电流、电压检测元件已不适应中高频、高di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流、电压传感器/变送器模块是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一种新型的高性能电气检测元件。

霍尔电流、电压传感器/变送器模块具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足（互感器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离测量）。利用同一只霍尔电流电压传感器/变送器模块检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。

霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁感应传感器，具有高精度、高灵敏度、高稳定性等特点，被广泛应用于电子设备领域。随着电子设备的不断发展，霍尔传感器在其中的应用越来越广泛，成为了许多领域的关键技术之一。

2传感器的发展方向

2.1 向高精度发展：

随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。

2.2 向高可靠性、宽温度范围发展：

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40℃～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。

2.3 向小体积发展：

各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

2.4 向微功耗及无源化发展：

传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5µA，而工作电压只需2～5V。

2.5 向智能化数字化发展：

随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

3 国内外发展情况

国内传感器技术起步晚，发展较慢，因此和美国、日本等发达国家产生了一定的差距。国内和国外的敏感元件与传感器作为信息系统的要害基础元器件，在国外一直得到了高度重视，很多发达国家为了夺取未来经济发展制高点，大力投入人力、物力和财力来发展它。国外在敏感元件与传感器的研究、开发、生产和应用主要表现为：①自动化技术中经典的传感嚣正在被新材料、新原理、多功能、微结构所取代；②与数字化技术、通信技术的紧密结合；③集成化、智能化和微型化进展。

近几年来，国内的新兴传感器企业越来越多，国内产品的市场额份虽然也在逐渐提高，但国外产品大面积倾入国内市场的力量仍然不容忽视。如何加强国内企业自身优势，提高我们的传感器技术成为了业内人士关注的焦点。

4霍尔传感器的应用

4.1 继电保护与测量：在工业应用中，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，如分别经三只霍尔电流传感器，按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，可送微机进行测量或处理。在这里使用霍尔电流传感器可以很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。

4.2 在直流自动控制调速系统中的应用：在直流自动控制调速系统中，用霍尔电流电压传感器可以直接代替电流互感器，不仅动态响应好，还可实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护。

4.3 在逆变器中的应用：在逆变器中，用霍尔电流传感器可进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感，以保证逆变器能安全工作。

4.4 在不间断电源中的应用：在该应用中，用霍尔电流传感器进行控制，保证逆变电源正常工作。使用霍尔电流传感器1发出信号并进行反馈，以控制晶闸管的触发角，霍尔电流传感器2发出的信号控制逆变器，霍尔电流传感器3控制浮充电源。由于其响应速度快，霍尔电流传感器特别适用于计算机中的不间断电源。

4.5 在电子点焊机中的应用：在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和控制作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A、B，可控制其输出。用斩波器给直流迭加上一个交流，可更精确地控制电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗。

4.6 用于电车斩波器的控制：电车中的调速是由调整电压实现的。而将霍尔电流传感器和其它元件配合使用，并将传感器的所有信号输入控制系统，可确保电车正常工作。

4.7 在交流变频调速电机中的应用：用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10％以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间往往小于5μs，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。

4.8 用于电能管理：霍尔电流传感器，可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发现过载，便及时使受控的线路断开，保证用电设备的安全。用这种装置，也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。

4.9 在接地故障检测中的应用：在配电和各种用电设备中，可靠的接地是保证配电和用电设备安全的重要措施。采用霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测，可保证用电安全。

4.10 在电网无功功率自动补偿中的应用：电力系统无功功率的自动补偿，是指补偿容量随负荷和电压波动而变化，及时准确地投入和切除电容器，避免补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济，使电网的功率因数始终保持最佳。无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行，由于它们的响应速度快，且无相位差，在保证“及时、准确”上会具有显著的优点。

4.11 霍尔钳形电流表：将磁芯做成张合结构，在磁芯开口处放置霍尔器件，将环形磁芯夹在被测电流流过的导线外，即可测出其中流过的电流。这种钳形表既可测交流也可测直流。用钳形表可对各种供电和用电设备进行随机电流检测。 12、电功率测量：将负载电压进行变换，令其与霍尔器件的工作电流成比例，将负载电流通入磁芯绕组中，作为霍尔电流传感器的被测电流，霍尔电流传感器输出的霍尔电压即可指示功率，以构成霍尔功率计。

4.12 在力工频谐波分析仪中的应用：在电力系统中，电网的谐波含量一般用电力工频谐波仪来进行测试。为了将被测电压和电流变换成适合计算机A/D采样的电压，人们曾将各种电力工频谐波分析仪的取样装置，如电流互感器、电压互感器、电阻取样与光隔离耦合电路等和霍尔电流传感取样测试对比，结果表明霍尔电流传感器最为适用。

4.13 开关电源中的应用：近代出现的开关电源，是将电网的非稳定的交流电压变换成稳定的直流电压输出的功率变换装置。无论是电压控制型还是电流控制型开关电源，均采用脉冲宽度调制，借助驱动脉冲宽度与输出电压幅值之间存在的某种比例关系来维持恒压输出。其中，宽度变化的脉冲电压或电流的采样、传感等均需用电流、电压传感器来完成。霍尔电流、电压传感器以其频带宽、响应时间快以及安装简便而成为首选的电流、电压传感器。

4.14 在大电流检测中的应用：在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图47示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。

4.15 用作电磁隔离耦合器：用霍尔电流传感器的工作原理，可做成电磁耦合器。用初级线圈的电流控制霍尔器件的输出，用这个输出信号控制其它的电路，既收到隔离的效果，又达到耦合的目的。用这种电路可做成霍尔继电器、过载保护器、通信线路的保护开关等等。这种电磁耦合器既可做成开关式，也可做成模拟量输出式。

5 安科瑞霍尔传感器的功能及选型

5.1 安科瑞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。

5.2 开环霍尔电流传感器技术参数：