1、霍尔电压传感器原理及应用

霍尔电压传感器相对电磁式电压互感器而言，具有体积小、重量轻、宽频带、交直流两用等优点，在工业测控领域得到了广泛应用。

随着电力电子技术的高速发展，变频调速技术在电机驱动中应用越来越广，对采用变频调速技术的电机系统进行准确的能效计量检测，既是对变频调速技术节能效果的检测，也是变频调速技术科学、持续发展的基础。而霍尔电压传感器是目前变频器及风力发电机、交流牵引电机、电动汽车电机等变频电机的检试验和能效计量检测的主要测量装置。本文旨在通过对霍尔电压传感器原理剖析，了解霍尔电压传感器的主要特点，并以此指导工程应用。

二霍尔电压传感器原理

如图2所示，霍尔电压传感器主要包括初级线圈、磁环、次级线圈、放大电路及与初级线圈串联的限流电阻R。抛开限流电阻R，剩余部分相当于一个闭环霍尔电流传感器。不同之处在于该传感器的初级电流非常小，一般为毫安级。

直观分析：小信号测量难度大，测量精度低，因此，同样基于霍尔效应的霍尔电压传感器的性能远远低于霍尔电流传感器。

图 霍尔电压传感器原理

显然，初级线圈的电流越大，电阻R的功率越大。过大的电流会带来如下的弊端：

◆传感器消耗较大功率，并对被测回路造成影响;

◆电阻发热量大，温度高，温漂对测量精度的影响大;

◆为了散发这些热量，必然增大霍尔电压传感器的体积，同时对绝缘不利。

上述原因决定了实际霍尔电压传感器的输入限流电阻较大，并且，测试电压越高，其阻值越大。

三霍尔电压传感器特点

上节分析了霍尔电压传感器原理，我们知道霍尔电压传感器的输入有一个阻值较大的电阻，且一次绕组的匝数较大。

客观世界中，不存在理想的电阻元件，因为电阻元件本身具有一定的形状和体积，必然造成其附加的电感和电容，此外，环境的分布电感和分布电容也对电阻元件起到一定的影响。如图3所示，电阻元件可以等效为电阻R与电感L串联后再与电容C并联。

霍尔电压传感器串联的电阻元件的等效电路

中电阻元件的阻抗为：

上式中，Re和Xe分别为等效电阻的分量和等效电抗分量。

由于L、C一般较小，1/LC较大，在ω2<<1/LC时和ω<<1/RC，上式可简化为：

一般而言，由于L很小，第一项可忽略。对于第二项，当RC较小时，非常接近R。然而，当R较大时，RC不可忽略。

当RC相对ω不可忽略时，第二项对霍尔电压传感器的精度和带宽都有较大的影响。

由此得出第一个结论：采用相同技术时，输入电阻越大，分布参数对霍尔电压传感器的带宽影响越大。

通过分析霍尔电压传感器原理，我们知道，霍尔电压传感器初级线圈匝数较多。线圈匝数越多，其电感越大。正常情况下，多匝线圈呈现明显的感性，不适宜用于交流电压测试。但是，从霍尔电压传感器原理分析可知，霍尔电压传感器正常工作时，在补偿绕组磁场的作用下，霍尔元件处的磁感应强度为零。假如初级线圈内部及外部处处磁感应强度为零，那么，线圈实际上的等效电感为零。这是霍尔电压传感器适合交流电压测试且一般具备较宽频带的重要原因之一。

然而，初级线圈和补偿线圈不可能完全重合，初级线圈内部和附近不可能磁场处处为零，存在磁场，就必然对电流的变化起到影响，并对霍尔电压传感器的带宽造成一定的影响。

为了使霍尔元件具有足够的灵敏度，霍尔电压传感器的初级电流越小，需要的匝数越多。匝数越多，霍尔电压传感器带宽越窄。

由此得出第二个结论：采用相同技术时，初级绕组匝数越多，对霍尔电压传感器的带宽越大。

对于霍尔电压传感器而言，考虑到电流通过电阻会发热，一般而言，被测电压越高，限流电阻R越大，RC对霍尔电压传感器的影响也越大。被测电压越高，初级线圈的电流越小，初级线圈的匝数越多。

这就是为何同一个厂家的霍尔电压传感器，随着测试电压的增高，带宽逐步降低的主要原因。

四常用霍尔电压传感器的技术指标

下表为常用霍尔电压传感器及AnyWay的SP103501C型变频功率传感器的上升时间、精度及带宽指标，由表可知，随着测试电压的升高，霍尔电压传感器的精度降低，且上升时间变大，带宽变窄。

表1 常用霍尔电压传感器主要技术指标

注：由于目前大多霍尔电压传感器未公布带宽指标，可依据经验公式BW=0.35/tr对带宽进行估算。表中的带宽就是依据此公式计算获取。

表中所述霍尔电压传感器的精度及带宽随着被测变化趋势与第三节的分析相符。此外，表中所述6400V霍尔电压传感器的带宽仅700Hz，用于交流电量时需要特别注意。

在变频功率(通常也称宽频功率测量)测量中，目前的多数变频功率分析仪可直接测量1kV以内的电压，霍尔电压传感器主要用于测量1kV以上的交流电压，而1kV以上的霍尔电压传感器的精度较低、带宽较窄，用户在构建1kV以上高电压变频功率测试系统时需特别注意。

2、霍尔电压传感器的优势及应用领域

霍尔器件的应用与我们的日常生活也息息相关，霍尔电压传感器相对电磁式电压互感器而言，具有体积小、重量轻、宽频带、交直流两用等特点，在工业测控领域得到了广泛应用。为帮助大家深入了解，本文将对霍尔电压传感器的相关知识予以汇总。如果您对本文即将要涉及的内容感兴趣的话，那就继续往下阅读吧。

霍尔电压传感器的优势

(1)非接触检测。在进口设备的再改造中，以及老旧设备的技术改造中，显示出非接触测量的优越性;原有设备的电气接线不用丝毫改动就可以测得电流的数值。

(2)使用分流器的弊端是不能电隔离，且还有插入损耗，电流越大，损耗越大，体积也越大，人们还发现分流器在检测高频大电流时带有不可避免的电感性，不能真实传递被测电流波形，更不能真实传递非正弦波型。电流传感器完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做的一样，如精度0.5、1.0级，输出电压50、75mV和100mV均可。

(3)使用非常方便，取一只LT100-C型电流传感器，在M端与电源零端串入一只100mA的模拟表头或数字万用表，接上工作电源，将传感器套在电线回路上，即可准确显示主回路0～100A电流值。

传感器的功能不同其接法也有些不同，在使用霍尔电压传感器的时候，必须要正确的接线，否则肯定会出现故障。

霍尔电压传感器的接线方法

1、交流两线型：直接接在控制回路一根接电源一根接负载

2、交流多线型：两根接电源两根接负载，要看是常开还是常闭，也就是两根电源线两根控制线，还有的是一长开一长闭的。

3、直流两线型：黑色接[或蓝色]负极红色[或棕色]接负载

4、直流三线型：分PNP和NPN型，黑色接[或蓝色]负极红色[或棕色]接正极，色[或黑色]接负载，还有的是一长开一长闭的PNP反馈正极NPN反馈负极。

霍尔电压传感器应用领域

需要电压测量的场合很多，因为霍尔电压传感器的特点是既能测量交流又能测量直流，所以应用的场合比较多，在大功率原件得到应用的今天，霍尔原理的电压传感器与霍尔电流传感器一起同IGBT等开关功率器件共同构成了电力电子的核心，在UPS，风电，铁路，光伏，整流，电镀等各行各业都有着广泛的应用。

3、霍尔传感器工作原理

霍尔效应在1879年被E.H.

霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电压差。

霍尔电流传感器是利用霍尔效应将一次大电流变换为二次微小电压信号的传感器。实际设计的霍尔传感器往往通过运算放大器等电路，将微弱的电压信号放大为标准电压或电流信号。

上述原理制作而成的霍尔电流传感器，被称为【开环式霍尔电流传感器】。

后人为了提高传感器性能，又稍作了改造，就是利用一个补偿绕组产生磁场，通过闭环控制，使其与被测电流产生的磁场大小相等，方向相反，达到互相抵消的效果，此时，补偿绕组中的电流正比与被测电流的大小，这种传感器，被称为【闭环式或磁平衡式霍尔电流传感器】。

4、霍尔传感器的电压是怎么调的？

SS95A型集成霍尔传感器，工作电流即芯片的功耗，这个是芯片本身决定的。要增加工作电流，就需要增加供电电压，但这种线性霍尔传感器一般都是在5V应用的，没必要增加电压。如果电压有波动的情况下，如果该传感器工作电流增大些，对其灵敏度肯定是有一定影响的。

霍尔传感器分类是线型霍尔传感器，是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。其用途是力测量；子类为霍尔电流传感器、霍尔电压传感器。工作原理是霍尔效应。霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔效应传感器包括：1-霍尔半导体元件 2-永久磁铁 3-挡隔磁力线的叶片。

霍尔传感器工作原理磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差,这就是所谓的霍尔电压。

霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高；磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。

方法是可以用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片作用于点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，有外加电源才能工作，这一特点使其能检测转速低的运转情况。

5、集成霍尔传感器在实验中起什么作用？

集成霍尔传感器实验中补偿电压的作用，具体如下：

消除由爱廷豪森效应，里纪-勒杜克效应和能斯脱效应这些热磁效应产生的叠加温差电动势，还有使用霍尔原件时存在的不等位电动势引起的误差。

补充：

霍尔传感器是磁敏集成电路，在磁铁的作用下输出数字电压信号。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

中国科学家发现量子反常霍尔效应

《科学》杂志在线发文，宣布中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这一发现或将对信息技术进步产生重大影响。

这一发现由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤(原曲阜师范大学物理工程学院教师）领衔，清华大学、中国科学院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队历时4年完成。

在美国物理学家霍尔1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化，这一发现是相关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。

美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980年，德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

6、霍尔电压是多少呢？

5-24V。

不同霍尔传感器的温度特性不一样，如inas材料的传感器温度升高，输出电压变化平稳，基本是增大的；而insb材料的传感器则恰恰相反，随温度生高，输出电压是降低的。

以A3144e为例：

工作电压 24V。

输出反向击穿电压Vce50V。

输出低电平电流IOL50mA。

工作环境温度TAE档：-20～85℃，L档: -40～150℃。

贮存温度范围TS65～150 ℃。

霍尔电压传感器因为是基于霍尔闭环零磁通原理，所以可以测量直流电压，交流电压和混合波形的电压。此特点区别于电磁隔离原理的电压互感器，电压互感器只能测量交流电压信号。

因为是基于磁平衡霍尔原理，需要原边匹配一个内置或外置电阻，该电阻随着测量的电压量程增大，需要的阻值和功率也相应增大，甚至需要加散热片。因为原边采用多匝绕组，故存在比较大的电感，一般响应速度不高，频率范围有限。