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浅谈霍尔效应及其应用

作者:潘滕志伟来源:《企业科技与发展》日期:2019-05-09人气:14168

霍尔效应的本质是电磁感应原理,该效应的表现为频繁的电磁信号传输以及转换。随着科学的进步,工业自动化技术越来越广泛的应用于各个领域,在工业自动化技术的信号传输以及能量交换的各个环节中,霍尔效应都有很高的存在感。因此,对霍尔效应原理的分析并结合其实际应用可以加深理解并对更加深入的研究提供基础参考。

1  霍尔效应原理简析

霍尔效应是在与磁场垂直的带电导体中施加一个磁场,导体中的电子由于受到洛伦兹力的作用而产生偏移,从而产生感应电动势(电动势方向通过左手定则确定)的现象。具体分析如下图所示。

图1  霍尔效应原理图

从上图中可以看出,长方体半导体极板中电子水平方向运动,与电流方向相反,由于垂直于该半导体的磁场B的作用,极板中的电子收到洛伦兹力fL的作用运动轨迹发生偏移,从而导致半导体极板中电子分布不均并产生感应电动势EH,电子偏移的方向通过左手定则可以判断,而感应电动势EH的方向与其相反。

霍尔效应由于其电磁感应的特点,非常适用于用在带电信号传输的电路中,由于半导体技术的发展,强度高,磁场稳定,测量精度高的电磁元件不断出现,该类元件利用霍尔效应原理制成并广泛应用到高电压测量以及电力电子技术等低电压信号以及二次弱信号测量中。

2  霍尔效应的实际应用

由于霍尔效应的特点,其在信号测量、控制以及保护等多个领域中的应用非常广泛,本文将通过介绍霍尔传感器、霍尔开关电路以及磁流体发电技术等利用霍尔效应制成的器件对霍尔效应进行更加形象的介绍。

2.1  霍尔传感器

霍尔传感器是霍尔效应的典型应用。霍尔传感器类型较多,可以测量位移、角度、转速、压力、液位、电压等各种参数,但其测量原理相同,都是通过电磁感应原理,把磁信号转变为电信号从而进行采集分析。因此本文主要通过对霍尔电压传感器以及位移传感器的分析来对霍尔传感器进行理解。

2.2  电压传感器

霍尔电压传感器是一种利用霍尔效应电磁感应原理所制成的测量元器件。其一般通过内置或外接限流电阻,将输入电流限制在10mA以内,以保证测量的安全性。该输入电流经过线圈绕组后经过聚磁材料将其产生磁场被气隙中的霍尔元件检测到,通过电磁感应原理感应出二次电流,该补偿线圈产生的磁通与原边电流(被测电压通过限流电阻产生)产生的磁通大小相等,方向相反,从而使磁芯中的磁通一直保持为零。

霍尔电压传感器主要包括磁环、原边输入线圈、副边输出线圈、差分放大器等主要器件构成,另外还需要限流电阻来对副边感应电流进行限制,具体分析如下:

由于原边输入电流IP限制为10mA以内,因此需要通过限流电阻R1将输入电流限制在规定范围之内,具体为:

                                       IP=VP/R1                                                      (1)

原边电流IP经过原边线圈感应出磁场B,经过电磁感应原理在副边线圈中产生二次电流IS’,然后二次电流IS’经过差分放大器放大后的电流为IS,最后通过测量电阻RM后即可测量二次电压UM。实际测量中再根据所测量的二次电压UM通过霍尔传感器互感倍数折算后即可计算出一次侧电压值。

2.3  位移传感器

由于磁场的分布是不均匀的,同一载流体在不同强度磁场中所感应出的电压大小不同,根据这个原理制成了位移传感器,位移传感器置于两块磁体所构成的磁场中,由于磁感应强度在磁场中的各个位置是不同的,因此当位移传感器在其中移动时,所感应出的电压是不同的,根据这个原理,就可以通过感应电压测量出位移的距离。

同时,转速、角度、压力等都是通过该原理所制成。

2.4  优缺点

通过实际应用分析我们可以发现,霍尔传感器在使用中具有测量原理简单,测量范围广,测量精度高(利用差分放大器)等特点,另外通过分析可以发现其他特点:

(1)由于其对于差分放大器的使用可以发现,其可以测量极微弱的磁场,因此在测量某些磁场元件时传感器可以做的很小;

(2)由于其利用电磁感应原理,因此其对一二次电路进行了隔离,在工业测量中安全性较高;

(3)另外霍尔传感器还具有能够测量任意波形、带宽较宽、结构牢固、寿命长、功耗低等优点。

霍尔传感器也存在缺点,其主要缺点为测量结构极易受温度影响,线性度比较差。该缺点在电力电子等发热较多的器件中体现极为明显,因此需要根据其实际使用环境对其线性度根据温度进行校正,以确保实际使用准确度。

2.5  霍尔开关电路

在电力应用中,广泛的应用到各类保护及控制开关。霍尔开关是通过电磁感应原理,通过测量磁感应强度B的大小来制成的。由于电路中的电流与其所产生的磁感应强度B成正比,当电流增大时,磁感应强度也增大,感应出的二次电流也随之增大,当电路中一次电流增大到一定值,二次电流检测到之后开关内部触发器动作,从而进行保护。利用这个特点不仅可以制成过流保护开关,还可以制成过压、欠压、欠流等各种类型保护开关。

霍尔开关具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点,内部采用环氧树脂封灌成一体化,所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。

利用霍尔开关电路的特点,可以制成各种与二次控制相关的接近开关、传感器、触发开关、保护开关等产品。

2.6  磁流体发电技术

磁流体发电装置是一种新型发电装置,目前仍在不断研究过程中。其原理为通过高温使等离子气体产生电离的同时对其进行加速,使电离的电子高速通过磁场,从而由于洛伦兹力的作用,电子大量聚集在磁场中半导体极板的两端,从而产生电势差,当电势差达到一定程度时即可作为稳定的电压源向外界输出电压。

该装置是通过高速电子代替了传统发电机使用绕组切割磁感线的发电方式,从而避免了摩擦以及绕组发热所产生的损耗,节约了能量,在未来的应用前景十分可观。但目前鉴于技术问题,还不能大面积推广应用。

3  结语

霍尔效应的应用面十分广泛,通过其电磁感应原理可以设计各种不同功能的二次器件,这类器件在当今社会发展中有着至关重要的作用。通过上述对霍尔效应原理的分析以及通过实际应用对其进行了更加深入的了解,我们可以从基础上对其进行一次全面的认识,当然其应用范围不限于此,随着社会的发展,越来越多基于霍尔效应的新功能新产品也会随之出现。

在了解霍尔效应的各种优点的同时,我们也要知道其所存在的不足之处。由于其根据电磁感应原理制成,器件极易受到外部磁场的影响,因此对于制造材料以及工艺的要求也极为严格,这无形之中增加了元器件的生产成本,导致利用霍尔效应所制造的器件价格普遍较高。

4  展望

对霍尔效应不断研究的同时,与其相关的其他理论也在不断被发现。例如美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、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;斯坦福华裔教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究;清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破等。这些研究成果的出现必将加速该领域的发展,从而推动全行业的进步。



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