霍爾電流傳感器（Hall current sensor）是基于霍爾效應(yīng)的一種檢測電路的裝置。電流傳感器的主要工作原理是采用霍爾效應(yīng)原理。霍爾效應(yīng)是一種磁敏效應(yīng)，當電流通過一個位于磁場中的導體材料時，磁場會對導體中的電子產(chǎn)生一個垂直于電子運動方向的上的作用力，從而在垂直于導體與磁感線的兩個方向上產(chǎn)生電壓。霍爾電流傳感器屬于非接觸測量，有優(yōu)良的電氣隔離性；結(jié)構(gòu)簡單，體積小；靈敏度高、精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強等特點。
1879年，物理學家霍爾（E.H.Hall）在研究金屬導電機制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。直到20世紀50年代，半導體技術(shù)的發(fā)展，磁敏元件也得到了快速發(fā)展，霍爾元件屬于磁敏元件。20世紀70年代后期，隨著集成技術(shù)、分子合成技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成傳感器。其中包括集成霍爾傳感器。20世紀80年代后，大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機電系統(tǒng)的發(fā)展，霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了3端口或4端口固態(tài)霍爾傳感器，實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化和體積的微型化。
霍爾電流傳感器一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級電感線圈和放大電路等組成。霍爾電流傳感器由于連接方式不同，霍爾電流傳感器又可以分為閉環(huán)式和開環(huán)式兩類，其中閉環(huán)式的精度要高于開環(huán)式。隨著電力設(shè)備的不斷發(fā)展以及能源管理的日益重要，霍爾電流傳感器作為一種高精度，低功耗的電流傳感器，被廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機、變電站、電解電鍍、數(shù)控機床、微機監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測的大電流、電壓等各個領(lǐng)域中。在電力電子產(chǎn)品中，對大電流進行精確的檢測和控制也是產(chǎn)品安全可靠運行的根本保證。
簡史
1879年，物理學家約翰·霍爾（E.H.Hall）在研究金屬導電機制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，當在通電半導體材料上施加一個磁場后，由于磁場對半導體中電子和空穴施加的洛倫茲力不同，會在通電半導體材料的另外兩極產(chǎn)生一個電壓，該電壓稱為霍爾電壓。直到20世紀50年代，隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，磁敏元件得到了快速發(fā)展，霍爾元件屬于磁敏元件。其工作原理基于霍爾效應(yīng)。利用半導體材料做成的霍爾元件的霍爾效應(yīng)比較顯著，霍爾效應(yīng)從而開始被人們所重視和充分利用。霍爾傳感器原理使得電流測量更加方便和準確，因此在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域得到發(fā)展。
20世紀70年代后期，隨著集成技術(shù)、分子合成技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成傳感器。其中包括集成霍爾傳感器。20世紀80年代后，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和MEMS技術(shù)的發(fā)展，霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了3端口或4端口固態(tài)霍爾傳感器，實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化和體積的微型化，在工業(yè)、汽車、手機、計算機等領(lǐng)域并得到廣泛應(yīng)用。
功能原理
基本原理（霍爾效應(yīng)）
霍爾電流傳感器基本工作原理是霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)是一種磁敏效應(yīng)，它定義了磁場與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，當電流通過一個位于磁場中的導體材料時，磁場會對導體中的電子產(chǎn)生一個垂直于電子運動方向的上的作用力，從而在垂直于導體與磁感線的兩個方向上產(chǎn)生電勢差。電勢差 稱為霍爾電勢差（或霍爾電壓）。實驗表明，霍爾電勢差與電流及磁感應(yīng)強度的大小成正比，與導體板的厚度成反比，即式中：是僅與導體材料有關(guān)的常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)。霍爾電勢差的產(chǎn)生是由于運動電荷在磁場中受洛倫茲力作用的結(jié)果。
檢測原理
工作過程是標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有電感線圈，由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出，從而確定導線中電流的大小。
補償原理
由于半導體特性和制造工藝等原因，霍爾電流傳感器在對電流測量時總是存在一定的誤差。為進一步提高霍爾元件的測量精度和靈敏度，往往需要對霍爾元件進行誤差補償，其中主要包括溫度補償和不等位電勢補償。
霍爾元件與一般半導體器件一樣，對溫度的變化是很敏感的。這是因為半導體材料的電阻率，遷移率和載流子的濃度等都隨溫度的變化而變化。因此，霍爾元件的性能參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾電勢等都要發(fā)生相應(yīng)的變化。從而使由霍爾元件構(gòu)成的傳感器產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元件，如硅（Si）霍爾元件，砷化鎵（GaAs）霍爾元件外，可采用恒流源并聯(lián)電阻補償法。
霍爾元件的不等位電勢和控制電流之間的關(guān)系是非線性的，不等位電勢還受溫度的影響而變化，因此不等位電勢大的霍爾元件性能不穩(wěn)定而降低了精度。所以補償不等位電勢是必要的。在分析霍爾元件的不等位電勢時，可把霍爾元件視為一個電橋電路，不等位電勢就相當于電橋的不平衡輸出，因此所有的能夠使電橋平衡的方法都可以用來補償霍爾元件的不等位電勢。
基本分類
直放式電流傳感器（開環(huán)式）
開環(huán)霍爾電流傳感器采用霍爾直放式原理，電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場在垂直于電流及磁場的霍爾元件端面上形成霍爾電壓。霍爾電壓大小與原邊電流以及磁感應(yīng)強度成正比。帶電導線周圍會產(chǎn)生磁場，該磁場可以通過磁芯進行聚集，在磁芯的某段開有一段孔隙，將霍爾元件固定在其中用以感應(yīng)磁通密度，通過傳感器的電路部分對霍爾元件提供控制電流及為后續(xù)的處理電路提供電源。開環(huán)式霍爾電流傳感器可以在保證電氣隔離的條件下，測量直流、交流及復雜的電流波形，在大于300A的電流測量應(yīng)用場合中具有明顯的優(yōu)勢，同時其插入損耗也非常小。不過開環(huán)式霍爾電流傳感器只適用于中頻段帶寬的測量，響應(yīng)時間較長，同時其溫度增益漂移較大，功率帶寬有限。開環(huán)式霍爾電流傳感器的最大測量電流由磁回路的設(shè)計和材料及調(diào)理電路的設(shè)計所決定。
磁平衡式電流傳感器（閉環(huán)式）
閉環(huán)霍爾電流傳感器采用磁平衡原理，由霍爾元件控制電流流過次級電感線圈產(chǎn)生磁場補償，當磁平衡時，補償值可以準確表現(xiàn)實際值。由于閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作狀態(tài)為零磁通，磁芯的非線性以及磁滯對輸出影響較小，所以閉環(huán)霍爾的響應(yīng)時間以及精度較開環(huán)霍爾更有優(yōu)勢，閉環(huán)更適用于小電流的檢測。磁平衡法（又稱零磁通法、閉環(huán)反饋補償法）是在直測法原理的基礎(chǔ)上，加入了磁平衡原理。即將前述霍爾器件的輸出電壓進行放大，再經(jīng)功率放大后，讓輸出電流通過次級補償線圈，使補償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，從而補償原邊磁場，使霍爾輸出逐漸減小。
基本構(gòu)造
磁路部分
磁芯
磁芯通常用環(huán)形或方形導磁材料，套在被測電流流過的導線（也稱電流母線）上，將導線中電流產(chǎn)生的磁場聚集在鐵芯中。將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔，當有電流通過導線時，在導線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵芯內(nèi)，并在鐵芯的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。
磁環(huán)
磁環(huán)是霍爾電流傳感器的關(guān)鍵部件。在通過大電流時，通常采用在磁環(huán)設(shè)置一小氣隙，以避免磁環(huán)達到飽和而影響測量精度。磁環(huán)的磁通密度比通過中心的電流大小成正比關(guān)系。磁環(huán)的形狀有方形、圓形兩種結(jié)構(gòu)，方形結(jié)構(gòu)用于大電流的方型匯流條或母線，圓形結(jié)構(gòu)用于一般圓形導線。常見導磁材料硅鋼片的最大相對導磁率為空氣的8000~10000倍。
軟磁材料
標準軟磁材料圓環(huán)中心直徑為40毫米，截面積為4毫米4毫米（方形）；圓環(huán)上有一個缺口，放入集成霍爾元件；圓環(huán)上繞有一定匝數(shù)的線圈，當通過檢測電流時會產(chǎn)生磁場，則霍爾器件會有信號輸出。
電路部分
霍爾芯片
霍爾電壓很小需作放大處理，通常將半導體基片與放大電路集成為一體，稱為霍爾芯片。一般的霍爾芯片均有4根引線，其中2根引線為外加電壓，提供電流，另2根引線為輸出的霍爾電勢U。當外加電壓恒定，電流人恒定時，輸出的霍爾電勢U，與磁場有良好的線性關(guān)系。
霍爾芯片置于聚磁鐵心的氣隙中。原邊主電流回路所產(chǎn)生的磁場與副邊電流回路產(chǎn)生的磁場方向相反，互相抵消，使霍爾芯片處于檢測零磁通量的狀態(tài)。當原邊主電流回路產(chǎn)生的磁場導致聚磁環(huán)中的霍爾芯片產(chǎn)生霍爾電壓時，霍爾電壓使得電子放大器相應(yīng)的功率管導通，并根據(jù)霍爾電壓的數(shù)值提供相應(yīng)的補償電流；副邊電流產(chǎn)生的磁場抵消原邊電流產(chǎn)生的磁場，直至霍爾電壓為零，從而達到磁回路平衡，霍爾芯片又工作在零磁通狀態(tài)。
外殼和封裝結(jié)構(gòu)
霍爾元件的殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。其中控制電極為紅色部分，霍爾電極為藍色部分，另外必須在中間焊出引線。
激勵電源
激勵電流由電源供給，可以是DC電源或交流電源，電位器調(diào)節(jié)激勵電流的大小。霍爾電勢一般在毫伏數(shù)量級，在實際使用時必須加差分放大器。霍爾元件大體分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式。
主要特點
優(yōu)點
霍爾電流傳感器是一種較好的隔離式強電流檢測裝置，不僅能測量靜態(tài)、動態(tài)的參數(shù)，還可測量電流波形。可以測量任意波形的電流和電壓參量，如直流、交流和脈沖波形等；也可以對瞬態(tài)峰值參數(shù)進行測量，其二次電路可以真實地反映一次電路電流的波形。
閉環(huán)式霍爾電流傳感器能同時測量直流、交流和脈沖等復雜波形電流，其次級電感線圈測量電流與一次側(cè)被測電流之間完全電氣隔離。開環(huán)式霍爾電流傳感器可以在保證電氣隔離的條件下，測量直流、交流及復雜的電流波形，在大于300A的電流測量應(yīng)用場合中具有明顯的優(yōu)勢，同時其插入損耗也非常小。
局限性
霍爾電流傳感器需要對其提供特定電源，導致其成本較高。
對于開環(huán)霍爾電流傳感器，由于其鐵芯的非線性，導致這種形式的傳感器具有精度低、響應(yīng)速度慢、溫漂大、線性度差的缺點。
性能指標
性能參數(shù)
靈敏度
靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出變化量對輸入變化量的比值。它是輸出與輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸人之間為線性關(guān)系，則靈敏度是一個常數(shù)。靈敏度可理解為放大倍數(shù)，提高靈敏度，可得到較高的測量精度。其中，霍爾效應(yīng)明顯，靈敏度較高。
精度
電流傳感器的精度會直接影響功率測量以及故障診斷的可靠性，所以要求電流傳感器的被測信號和輸出信號之間的相位延遲越小越好。霍爾電流傳感器可以測量任意波形的電流參量，如直流、交流和脈沖波形等。也可以對瞬態(tài)峰值參數(shù)進行測量，其副邊電路可以反映原邊電流的波形。這一點是普通互感器無法與其相比的，因為普通的互感器一般只適用于50Hz的正弦信號。霍爾電流傳感器的精度很高，一般的霍爾電流傳感器在工作區(qū)域內(nèi)的精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量。
響應(yīng)時間
用霍爾電流傳感器檢測過流信號時，檢測回路與主回路之間相互獨立，不需再設(shè)置隔離電路。霍爾電流傳感器響應(yīng)時間僅為，用它作為檢測元件時，即使主回路中沒有專門串人限制短路電流上升率的電感，也能有效地保護逆變橋上的晶體管在負載短路或橋臂直通的情況下不被損壞。
額定電流
霍爾磁補償原理優(yōu)于直接檢測模式，具有響應(yīng)時間快和測量精度高等優(yōu)點，特別適用于弱小電流的檢測，電流傳感器的額定電流輸入有從0.01A到500A等一系列規(guī)格。
溫度特性
電流傳感器的溫度特性是介損監(jiān)測值不穩(wěn)定的主要原因。因此，需要選用性能優(yōu)良的電流傳感器。用銻化銦半導體制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺半導體制成的霍爾元件，雖然靈敏度較低，但它的溫度特性及線性度較好。目前使用銻化霍爾元件的場合較多。
應(yīng)用領(lǐng)域
電力系統(tǒng)
霍爾電流傳感器具有優(yōu)越的電性能，是一種先進的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點，同時又克服了互感器和分流器的不足。利用同一只霍爾電流傳感器既可以檢測交流也可以檢測直流，甚至可以檢測瞬態(tài)峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品。霍爾電流傳感器在直流檢測中同樣具有電隔離作用，在直流輸出的電力電子設(shè)備中，可以利用霍爾電流傳感器測得與主電路隔離的直流測量信號、短路保護和顯示控制，還可用于電流反饋和穩(wěn)流調(diào)節(jié)。
電動車輛
隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，特別是新能源汽車的出現(xiàn)，傳統(tǒng)接觸式傳感器使用的局限性越來越明顯。霍爾傳感器具備與被測對象無接觸的優(yōu)點，所以新能源汽車逐漸使用霍爾傳感器來取代傳統(tǒng)接觸式傳感器。動力蓄電池控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用霍爾電流傳感器，該傳感器安裝在高壓蓄電池箱內(nèi)，主要檢測動力蓄電池的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)。當傳感器檢測到電池放電出現(xiàn)異常情況時，會向BMS發(fā)出信號，控制單元及時地斷開動力蓄電池的電壓輸出，以防發(fā)生安全事故或造成電池損壞。
其他領(lǐng)域
霍爾電流傳感器應(yīng)用廣泛，在CSM系統(tǒng)對電源電壓測試接線中，電源屏中的交流會通過UPS電源處理后，再輸送給監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備供電，以達到對監(jiān)測設(shè)備不間斷供電的要求。其在不間斷電源中的應(yīng)用原理為：霍爾電流傳感器發(fā)出信號并進行反饋，以控制可控硅的觸發(fā)角，電流傳感器發(fā)出的信號控制逆變器，傳感器控制浮充電源。用霍爾電流傳感器進行控制，可保證逆變電源正常工作。
關(guān)鍵材料
霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的磁電轉(zhuǎn)換元件，常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦半導體材料制成。用銻化銦制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺制成的霍爾元件雖然靈敏度低，但它的溫度特性及線性度好。目前使用銻化銦霍爾元件的場合較多。
鍺是銀灰色性脆的金屬。熔點937.4℃，沸點2830°C，比重5.323。鍺主要用于電子工業(yè)中，用來生產(chǎn)低功率半導體二極管三極管，鍺在紅外器件，Y輻射探測器方面有著新的用途，金屬鍺能讓2--15微米的紅外線通過，又和玻璃一樣易被拋光，能有效地抵制大氣的腐蝕，可用以制造紅外窗口、三棱鏡和紅外光學透鏡材料。鍺還與形成化合物，用作超導體。
硅的密度為2.4克/立方厘米，與鋁液的密度接近，硅極易與氧化合而生成難熔的，當把硅加入鋁溶液中時，硅易浮在溶液表面，極不易溶解。硅的氧化燒損大，實收率低。
砷化鎵（GaAs）材料是繼硅單晶之后第二代新型化合物半導體中最重要、用途最廣泛的材料之一，主要用于光電子產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)業(yè)。砷化鎵屬Ⅲ～V族化合物半導體，閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)。與元素半導體Ge和Si相比，砷化鎵禁帶寬度大；電子遷移率高；介電常數(shù)小；電子有效質(zhì)量小；特殊的能帶結(jié)構(gòu)。
由砷化銦構(gòu)成的Ⅲ～V族化合物豐導體材料，常溫呈銀灰色固體，具有閃鋅礦型的晶體結(jié)構(gòu)。砷化銦晶體具有校高的電子遷移率和遷移率比值，低的磁阻效應(yīng)和小的電阻溫度系數(shù)，是制造霍爾器件和磁阻器件的理想材料。
銻化銦分子量236.57。具有閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的晶體。熔點 535°C。由計算量的銦和銻在真空中高溫熔合而得，是重要的半導體材料之一。經(jīng)熔煉提純的單晶，可制成具有特殊性能的紅外探測器件等。
標準規(guī)范
測量范圍
傳感器的測量范圍應(yīng)由工廠規(guī)定。 傳感器測量范圍的上限值推薦從下列數(shù)字中選取：；；；；；。 其中n為0，1，2，3等。
輸出電流、電壓
傳感器的輸出電流、電壓由制造廠規(guī)定。 4mA~20mA為傳感器輸出電流的優(yōu)選值。
要求
外觀
傳感器外觀應(yīng)符合下列要求為殼體表面光潔、完好，無劃痕及其他損傷； 產(chǎn)品銘牌、標牌等應(yīng)正確、完整、清晰，并牢固地固定在外殼上；接線端子齊全，標注正確、清晰。
標志
在傳感器殼體的適當位置上直接刻字或用固定銘牌的方法標明廠名或商標； 產(chǎn)品名稱； 產(chǎn)品型號； 準確度等級； 測量范圍； 輸出信號值； 輔助電源值； 電流方向； 制造日期和出廠編號。在包裝箱外表面上應(yīng)有運輸標志。
試驗方法
傳感器在規(guī)定的參比條件下，接上輔助電源，預(yù)熱30分鐘 后，在記錄觀察值之前，傳感器應(yīng)在滿量程范圍內(nèi)進行三次標準負荷循環(huán)，每次標準負荷循環(huán)輸入從最小逐漸增加到最大，然后再逐漸減少到最小，并在上、下限處各保持10秒。然后在包括傳感器測量上、下限的全量程范圍內(nèi)選擇均勻分布的6個～11個校準點，其中應(yīng)包括上、下限的點。作三次或三次以上的標準循環(huán)，觀察并記錄對應(yīng)每個輸入值的輸出值。
參考資料 >
高性能小型化成霍爾傳感器未來發(fā)展方向.電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng).2024-01-16
電流傳感器(開環(huán)).華智興遠.2024-01-16
傳感器.銀河電氣.2024-01-26