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用霍尔元件测电功率的原理

用霍尔元件测电功率的原理及电路图

Answer 1

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霍尔效应概述

霍尔效应Hall Effect是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

通过该实验可以了解霍尔效应的物理原理以及把物理原理应用到测量技术中的基本过程。

当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。

霍尔效应原理

所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为

UH=RHIB/d（18）

RH=1/nq（金属）（19）

式中RH——霍尔系数：

n——载流子浓度或自由电子浓度；

q——电子电量；

I——通过的电流；

B——垂直于I的磁感应强度；

d——导体的厚度。

对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（19）不同，此处从略。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。

利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。

如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

霍尔效应在应用技术中特别重要。

霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

好比一条路，本来大家是均匀的分布在路面上，往前移动.当有磁场时，大家可能会被推到靠路的右边行走.故路(导体)的两侧，就会产生电压差.这个就叫“霍尔效应”。

方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a,b,d，磁场垂直ab平面。电流经过ad，电流I = nqv(ad)，n为电荷密度。设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。设磁场强度为B。

qVH / a = qvB
VH / a = BI / (nqad)
VH = BI / (nqd)

霍尔效应的应用

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。

讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

例如：汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。

用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。

霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

霍尔效应的定义

定义1：

霍尔效应是指当施加的外磁场垂直于半导体中流过的电流时，会在半导体垂直于磁场和电流的方向上产生霍尔电动势

源自：高速磁浮列车磁场测量系统的设计《仪表技术与传感器》2004年田武刚，潘孟春，罗飞路，陈棣湘

来源文章摘要：高速磁浮列车磁场主要分布在列车和轨道之间很小的空气隙中，气隙磁场是一个恒定磁场和交变磁场的叠加磁场，而且磁感应强度很大，最大可达12T.针对高速磁浮列车磁场分布的特殊性，设计了一套两自由度磁场的闭环自动化测量系统。系统的设计基于PC机，可以实现对列车磁场中的固定点和一段距离上的磁场大小的自动化测量，并将测量数据存入数据库以便于进一步处理分析。在列车实验平台磁场的实际测量中，该系统性能稳定，测量范围可达0～15T.

定义2：

种现象即称为霍尔效应.UH称为霍尔电势其大小可表示为：图回霍尔效应原理图式中RH称为霍尔系数由半导体材料的性质决定

源自：霍尔传感器在电参量测量中的应用《中国民航学院学报》1999年刘建英

来源文章摘要：介绍了霍尔传感器在测量交流电参量中的应用，着重分析了采用单片机及霍尔元件测量电功率的几种方法及其优缺点，并提出了本文采用的方法。

定义3：

这个现象称为霍尔效应，所产生的电压差ΔU称为霍尔电压差(也称霍尔电压).由经典电子理论可以解释霍尔电压产生的原因

源自：霍尔效应测量大电流的理论探讨《中国测试技术》2005年袁国胜，刘浙华

来源文章摘要：大电流、大电压的测量一直是困扰工程测量学的难题。本文着重探讨了霍尔效应应用于测量大电流的工作原理、数学推算以及应用中需要注意的几个问题。力图寻求将新技术用于工程测量中难点问题的理论依据

定义4：

一现象称为霍尔效应.产生前电动势称为霍尔电势半导体薄片称为霍尔元件.2．2感应式相序测定仪的工作原理在IOKV线路中B相置于三相线路中间所以只要确定左右两线路的相位即可测定相序

源自：感应式10KV线路相序测定仪《自动化博览》1999年周洪，李崇晟，贺剑锋

来源文章摘要：基于霍尔效应，采用霍尔元件集成电路将高压线路相序的测定工作简单化，使相序测定工作安全、准确，为大范围的配电网技术改造工作提供了得力的工具。

定义5：

其电流I的疗向与磁场H的方向之间有夹角a时，则在载流体中平行丁H、I的两侧面之间将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应

源自：桑塔纳2000型轿车专用霍尔传感器及其...《上海汽车》1998年喻德海

来源文章摘要：本文介绍了桑塔纳2000型轿车专用霍尔传感器的结构及工作原理。

定义6：

1引言美国物理学家霍尔于1879年在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间出现了电势差，这一现象称为霍尔效应

源自：不等位电势差《甘肃科技》2004年周珺

来源文章摘要：只要不等位电势差不为零，则测量值就会出现“台阶”，而不等位电势差大于霍尔电压是发生负号突变的根源

定义7：

2霍尔元件在磁场中垂直放置一块通有电流的金属或半导体薄片薄片的两侧之间就会产生电动势这种现象称为霍尔效应.霍尔元件是在霍尔效应原理基础上制成的

源自：霍尔传感器及其应用《中国煤炭》1995年萧光岐

来源文章摘要：霍尔传感器是一种性能优良的磁敏传感器，在煤炭科研和技术革新中有着广泛的应用前景。文章简述了霍尔元件和霍尔集成电路及工作原理，并通过几个应用实例介绍了霍尔传感器在煤炭工业中的应用情况。

定义8：

此现象称为霍尔效应，此电位差称为霍尔电势，图1a表示出霍尔效应原理：在三维空间内，导电板在XOY平面内，它与磁场方向垂直，磁场指向Y轴的方向，沿X轴方向通以电流j，由于运动的电荷与磁场的栩互作用

源自：国内外霍尔线性传感器性能及应用《现代车用动力》1997年张礼林

来源文章摘要：1概述随着汽车电子控制技术的发展，霍尔传感器被大量用于测量转速、转角、角位移、线位移等，其中测转速用的是霍尔开关传感器，其余为霍尔线性传感器。用于测油嘴针阀升程的霍尔传感器与以前采用的电感式传感器相比，具有结构简单、体积小、安装方便等优点。我所于1984年购进两只进口霍尔线性传感器，一直成功地使用至今。
定义9：

此现象称为霍尔效应.设KH为霍尔灵敏度，I为电流强度，B为磁场的磁感应强度，θ为磁感应强度B和霍尔元件平面法线间的夹角

源自：基于霍尔效应的铁磁性磨粒测试方法《煤矿机械》2004年马怀祥

来源文章摘要：为检测润滑油中铁磁性磨粒的含量，根据霍尔效应原理和高梯度磁力分离技术原理设计了铁磁性磨粒检测仪。设计确定了合适的霍尔传感器及后续处理电路。结果表明：利用它能很方便地对机械润滑油中的铁磁性磨粒捕获、测量和分析，为机械状态监测和故障诊断提供了一种方法。介绍了其工作原理、基本结构、电路系统及元件选用。

定义10：

这种物理现象被人们称为霍尔效应.由于金属中自由电子浓度很大，它的霍尔效应十分微弱，所以，当时没有引起人们的重视

源自：霍尔传感器在小型内燃机电控系统中的应用《小型内燃机与摩托车》2001年穆卫强，孙成军，周大森

来源文章摘要：本文介绍了霍尔传感器的原理及其目前在汽车发动机上的一些应用，并对其在摩托车发动机上作为油门位置传感器进行了实验研究

通过霍尔效应测量磁场

在磁场中的载流导体上出现横向电势差的现象是24岁的研究生霍尔（Edwin H. Hall）在1879年发现的，现在称之为霍尔效应。随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经称为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应，它不仅可作为一种新型电阻标准，还可以改进一些基本产量的精确测定，是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一，克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默()在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步，他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。

用霍尔效应之辈的各种传感器，以广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。本实验的目的是通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。