霍爾效應(yīng)在電磁測量中的應(yīng)用

張晶瑩 吉林建筑大學基礎(chǔ)科學部物理實驗中心

1 霍爾效應(yīng)

美國物理學家霍爾（E.H.Hall）在1897年發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，其本質(zhì)就是，在磁場中，運動的帶電粒子因受到洛侖茲力的作用而引起的偏轉(zhuǎn)。如果這些帶電粒子被約束在固體材料（如金屬薄片）中，磁場就會對導(dǎo)體中的帶電粒子產(chǎn)生一個橫向的作用力，正負電荷在不同側(cè)聚積，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。這個現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。電壓差U即霍爾電壓，E為霍爾電場強度，磁場中的帶電粒子既受到洛倫茲力作用，同時還受到霍爾電場力的作用（與洛倫茲力方向相反），當帶電粒子受到兩種力的作用相等時，電壓差保持相對穩(wěn)定。

圖1 霍爾效應(yīng)原理

2 霍爾效應(yīng)在電磁測量中的應(yīng)用

相對于金屬來說，半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)大，霍爾效應(yīng)更顯著?；诨魻栃?yīng)，半導(dǎo)體材料的霍爾元件得到了廣泛的應(yīng)用，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、對磁場敏感、頻率寬、使用壽命長等優(yōu)點，在電磁測量、非電量測量、自動控制等方面的應(yīng)用很廣。本文主要探討霍爾元件在電磁測量中的應(yīng)用。

在電磁測量中，霍爾元件主要用于測量恒定或交變的磁感應(yīng)強度、相位、有功功率、無功功率、電能等參數(shù)。

2.1 測量磁場

高斯計可以精確測量磁感應(yīng)強度，它是基于霍爾效應(yīng)來制造的。高斯計的探頭是由一個半導(dǎo)體薄片組成的霍爾元件。根據(jù)霍爾效應(yīng)試驗的公式：U=KIB/d ，（ U：霍爾電壓； I ：電流； B：磁感應(yīng)強度；d：板的厚度；K=1/nq：比例常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，由導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料的性質(zhì)所決定），霍爾電壓可用毫伏計測量，霍爾系數(shù)、電流也可用相應(yīng)的儀器測量，因此，磁感應(yīng)強度可以通過公式計算出來。高斯計的表盤顯示的是磁感應(yīng)強度，測量時，將高斯計插入待測磁場中即可直接讀出磁感應(yīng)強度值。若被測磁場精度要求較高，可選用砷化鎵霍爾元件，若被測磁場精度要求較低，則可選用硅和鍺霍爾元件。

2.2 實現(xiàn)電-磁-電的轉(zhuǎn)換

由輸入的電信號建立的磁場，通過霍爾元件后，實現(xiàn)了磁電變換，又以電信號的形式輸出，由此，將輸入-輸出信號間的電信號進行了隔離，根據(jù)這個原理，出現(xiàn)了隔離耦合器、隔離放大器等許多新型產(chǎn)品?；魻栯娏鱾鞲衅骺蓪崿F(xiàn)電流的“無電位”檢測。檢測電流靠磁場耦合，測量電路不必接入被測電路。因此，檢測電路的輸入、輸出電路實現(xiàn)了完全的電隔離。在實際的檢測過程中，被測電路和檢測電路互不干擾。霍爾電流傳感器有直接測量式和零磁通式兩種構(gòu)成形式。

霍爾電流傳感器一般應(yīng)用在以下方面：

（1）繼電保護與測量

來自輸電線路電流互感器的二次電流，經(jīng)霍爾電流傳感器，可以按照比例輸出毫伏電壓，再經(jīng)運算放大器放大、有源濾波，即可得到電壓信號，最后送至電腦進行測量或處理?；魻栯娏鱾鞲衅鞯氖褂?，對于實現(xiàn)無畸變、無延時的信號轉(zhuǎn)換具有重要作用。

（2）電子點焊機

霍爾電流傳感器在電子點焊機的電源中起測量和控制的作用。由于它可以快速響應(yīng)，因此電流、電壓波形能夠?qū)崿F(xiàn)再現(xiàn)，將電流、電壓反饋到可控整流器，可控制其輸出。用霍爾電流傳感器進行電流檢測，不僅可以檢測到電流的真正瞬時值，同時也不會引入損耗。

（3）用于電能管理

將霍爾器件的輸出和計算機進行聯(lián)網(wǎng)，可以監(jiān)控用電的情況，若發(fā)現(xiàn)過載，便及時斷開受控線路，從而在很大程度上保證用電設(shè)備的安全。使用霍爾電流傳感器，還可以進行電網(wǎng)的遙控、遙測和巡檢等工作。

（4）在電網(wǎng)無功功率自動補償中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，為了使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持在最佳狀態(tài)，減少供電變壓器及輸送線路的損耗，無功功率的補償裝置不可或缺，無功功率自動補償是指補償容量隨負荷和電壓波動而變化，及時準確地投入和切除電容器，避免補償過程中出現(xiàn)過補償和欠補償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟。無功功率的自動采樣可以使用霍爾電流、電壓傳感器，由于它們響應(yīng)速度快，且無相位差，所以可以保證達到“及時、準確”的效果。

2.3 電功率測量

使負載電壓變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測電流，即可構(gòu)成霍爾功率計。由霍爾器件輸出的霍爾電壓來指示功率。

結(jié)語：霍爾效應(yīng)于1897年被美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)后，引起很大轟動，相繼很多科學家投入到理論與應(yīng)用的研究中?；魻栃?yīng)在電磁測量、非電量測量、自動控制等方面的應(yīng)用十分廣泛，本文著重探討了霍爾效應(yīng)在電磁測量方面的應(yīng)用。

[1]戴國平. 霍爾效應(yīng)原理與應(yīng)用分析[J]. 科協(xié)論壇（下半月），2013（11）：34-35.

[2]邢紅宏，張勇. 霍爾效應(yīng)磁場測量儀器的改進[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016,33（5）：78-81.