霍爾傳感器是一種新型的磁傳感器，可以在各種與磁場有關的場合中檢測磁場及磁場的變化?；魻杺鞲衅魇且曰魻栃獮楣ぷ骰A，由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I(yè)、電子等領域應用非常廣泛，例如在自動測控系統(tǒng)中測量和顯示有關的電參量。下面我們就其在對電參量尤其是對高電壓、大電流的參數(shù)測量做深入探討。
　　一、? 測量原理
　　1 霍爾效應原理
　　如圖1所示，一個N型半導體薄片，長度為L，寬度為S，厚度為d，在垂直于該半導體薄片平面的方向上，施加磁感應強度為B的磁場，若在長度方向通以電流Ic則運動電荷受到洛倫茲力的作用，正負電荷將分別沿垂直于磁場和電流的方向向導體兩端移動，并聚集在導體兩端形成一個穩(wěn)定的電動勢UH，這就是霍爾電動勢(或稱之為霍爾電壓)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。霍爾電壓的大小UH=RIB／d=KHICB，其中R為霍爾常數(shù)；KH為霍爾元件的乘積靈敏度。

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　　2 用霍爾傳感器測量電參量的原理
　　由霍爾電壓公式可知：對于一個成型的霍爾傳感器，乘積靈敏度KH是一恒定值，則UH∝ICB，只要通過測量電路測出UH的大小，在B和IC兩個參數(shù)中，已知一個，就可求出另一個，因而任何可轉換成B或J的未知量均可利用霍爾元件來測量，任何轉換成B和I乘積的未知量亦可進行測量。電參量的測量就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)的。若控制電流IC為常數(shù)，磁感應強度B與被測電流成正比，就可以做成霍爾電流傳感器測電流，若磁感應強度B為常數(shù)，IC與被測電壓成正比，可制成電壓傳感器測電壓，利用霍爾電壓、電流傳感器可測交流電的功率因數(shù)、電功率和交流電的頻率。
　　由UH=KICB可知：若IC為直流，產(chǎn)生磁場B的電流IO為交流時，UH為交流；若IO亦為直流，則輸出也為直流。當IC為交流，IO亦為直流時，輸出與IC同頻率的交流且其幅值與被測直流IO大小成正比，改變被測電流IO的方向，輸出電壓UH極性隨之改變。故利用霍爾傳感器，既可對直流量進行測量，亦可對交流量進行測量。
　　二、? 系統(tǒng)結構簡圖
　　檢測系統(tǒng)構成如圖2，被測量經(jīng)霍爾傳感器轉換為電壓信號，經(jīng)信號調理電路和多路轉換開關選擇，通過A／D轉換器送給單片機，單片機采用89C51，是該系統(tǒng)的主控器，鍵盤選用2×4鍵盤，用于選擇被測量的種類，采用數(shù)碼管或液晶顯示被測量的大小。

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　　三、? 電參量的測量方法
　　1 電壓、電流信號的測量
　　電流的測量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器(亦稱為零磁通式霍爾傳感器)如圖3所示。

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　　當被測電流IIN流過原邊回路時，在導線周圍產(chǎn)生磁場HIN這個磁場被聚磁環(huán)聚集，并感應給霍爾器件，使其有一個信號UH輸出；這一信號經(jīng)放大器A放大，輸人到功率放大器中Q1，Q2中，這時相應的功率管導通，從而獲得一個補償電流IO；由于此電流通過多匝繞組所產(chǎn)生的磁場HO與原邊回路電流所產(chǎn)生的磁場HIN相反；因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出電壓UH逐漸減小，最后當IO與匝數(shù)相乘N2IO所產(chǎn)生的磁場與原邊N1IIN所產(chǎn)生的磁場相等時，IO不再增加，這時霍爾器件就達到零磁通檢測作用。這一平衡所建立的時間在1 μs之內(nèi)，這是一個動態(tài)平衡過程，即原邊回路電流IIN的任何變化均會破壞這一平衡的磁場，一旦磁場失去平衡，霍爾元件就有信號輸出，經(jīng)過放大后，立即有相應的電流流過副邊線圈進行補償。因此從宏觀上看副邊補償電流的安匝數(shù)在任何時間都與原邊電流的安匝數(shù)保持相等，即N1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2／N1(IIN為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數(shù)；IO為補償繞組中的電流；N2為補償繞組的匝數(shù))。由原、副邊匝數(shù)可知，只要測得補償線圈的電流IO，即可知道原邊電流IIN，如原邊為導線穿心式，則N1=l，IIN=N2IO。利用同樣的原理可進行電壓測量，只需在原邊線圈回路中串聯(lián)一個電阻R1，將原邊電流IIN轉換成被測電壓UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO／N1，RIN為原邊繞阻的內(nèi)阻(一般很小不計)。對特高壓交流電壓的測量，需先經(jīng)隔離變壓器降壓后，對降壓后的電壓進行測量，然后對測量數(shù)據(jù)乘以降壓倍數(shù)，即可得被測電壓的大小。該測量輸出信號為電流形式IO。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點之間串接恰當?shù)碾娮鑂0，并在該電阻上取電壓，就構成了電壓形式的輸出。輸出電壓經(jīng)電壓調整電路、線性放大電路、不等位補償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓，便于測量與顯示。
　　2 功率及功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)的測量
　　由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知，只要準確測量出U，I及電流與電壓相位差ψ，就可算出P與cosψ。采用傳統(tǒng)的電磁式電壓、電流互感器進行測量，由于互感器的非理想性，除存在變比誤差外，更主要的是存在較大的相位誤差，這就使測得的ψ值不能真實地反映負載的性質。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉換器(如AD637)等，可以使功率及功率因數(shù)的測量精度大大提高。此外，霍爾傳感器還可以測量從直流到100 kHz的任意波形的交流量，從而克服了電磁式互感器有特定的額定頻率的弊端。真有效值轉換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉換為直流量，輸出直流的大小正比于交流量的有效值，且轉換精度高，因而測量相對準確。
　　測量原理如圖4所示，交直流電壓、電流經(jīng)霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離、轉換后，得到與之對應的電壓信號，再經(jīng)真有效值轉換器轉換為直流(直流電不需轉換)，其大小正比于交流電的有效值，直流(或轉換后的直流)電壓經(jīng)A／D變換后送入單片機，這就采集到了U，I的大小。

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　　另外將傳感器副邊輸出的電信號U1，U2分別經(jīng)過零電平比較器1和2，當信號由負變正，通過零點時產(chǎn)生一個脈沖，加到門控電路輸入端。設U1超前于U2，則前者作開啟信號，后者作關閉信號。門控電路產(chǎn)生一個脈沖寬度對應于兩個信號相位差的矩形脈沖，該脈沖一路送單片機的定時／計數(shù)器T1口，單片機測出相鄰兩個矩形脈沖前沿之間的時間間隔t，即為被測信號的周期Tx(頻率fx=1／Tx)。另一路送至與門電路，打開計數(shù)與門，在此期間，時標信號Ts經(jīng)由與門至單片機的定時／計數(shù)器TO口計數(shù)，設計數(shù)值為N，則U1與U2相位差為△ψ=Ts／TxN×360°。經(jīng)單片機計算出功率因數(shù)cosψ，進一步計算出有功功率P＝UIcosψ，并將測得參數(shù)U，I，P，cosψ，ψx等送顯示電路顯示。如要測三相電路的總功率，則分別測得每一相的功率，然后三相功率相加即可。此外，該系統(tǒng)也可測量無功功率和視在功率等電參數(shù)。
　　四、? 結束語
　　目前，大多數(shù)測量系統(tǒng)仍然采用的是變壓器式電壓、電流互感器，由于互感器的非理想性，使得變比和相位測量都存在較大的誤差，常需要采用硬件或軟件的方法補償，從而增加了系統(tǒng)的復雜性。而采用霍爾檢測技術，可以克服互感器這些缺點，具有很好的線性度、精確度和良好的反應時間。能測量從直流到上百千赫茲的各種形狀的交流信號，并且達到原副邊不失真?zhèn)鬟f，同時又能實現(xiàn)主電路回路和電子控制電路的隔離，霍爾傳感器的輸出可直接與單片機接口。因此霍爾傳感器已廣泛應用于微機測控系統(tǒng)及智能儀表中，是替代互感器的新一代產(chǎn)品。