霍尔效应在电磁测量中的应用

张晶莹 吉林建筑大学基础科学部物理实验中心

1 霍尔效应

美国物理学家霍尔（E.H.Hall）在1897年发现了霍尔效应，其本质就是，在磁场中，运动的带电粒子因受到洛仑兹力的作用而引起的偏转。如果这些带电粒子被约束在固体材料（如金属薄片）中，磁场就会对导体中的带电粒子产生一个横向的作用力，正负电荷在不同侧聚积，从而在导体的两端产生电压差。这个现象叫做霍尔效应。电压差U即霍尔电压，E为霍尔电场强度，磁场中的带电粒子既受到洛伦兹力作用，同时还受到霍尔电场力的作用（与洛伦兹力方向相反），当带电粒子受到两种力的作用相等时，电压差保持相对稳定。

图1 霍尔效应原理

2 霍尔效应在电磁测量中的应用

相对于金属来说，半导体的霍尔系数大，霍尔效应更显著。基于霍尔效应，半导体材料的霍尔元件得到了广泛的应用，因其具有结构简单、体积小、对磁场敏感、频率宽、使用寿命长等优点，在电磁测量、非电量测量、自动控制等方面的应用很广。本文主要探讨霍尔元件在电磁测量中的应用。

在电磁测量中，霍尔元件主要用于测量恒定或交变的磁感应强度、相位、有功功率、无功功率、电能等参数。

2.1 测量磁场

高斯计可以精确测量磁感应强度，它是基于霍尔效应来制造的。高斯计的探头是由一个半导体薄片组成的霍尔元件。根据霍尔效应试验的公式：U=KIB/d ，（ U：霍尔电压； I ：电流； B：磁感应强度；d：板的厚度；K=1/nq：比例常数，称为霍尔系数，由导体（或半导体）材料的性质所决定），霍尔电压可用毫伏计测量，霍尔系数、电流也可用相应的仪器测量，因此，磁感应强度可以通过公式计算出来。高斯计的表盘显示的是磁感应强度，测量时，将高斯计插入待测磁场中即可直接读出磁感应强度值。若被测磁场精度要求较高，可选用砷化镓霍尔元件，若被测磁场精度要求较低，则可选用硅和锗霍尔元件。

2.2 实现电-磁-电的转换

由输入的电信号建立的磁场，通过霍尔元件后，实现了磁电变换，又以电信号的形式输出，由此，将输入-输出信号间的电信号进行了隔离，根据这个原理，出现了隔离耦合器、隔离放大器等许多新型产品。霍尔电流传感器可实现电流的“无电位”检测。检测电流靠磁场耦合，测量电路不必接入被测电路。因此，检测电路的输入、输出电路实现了完全的电隔离。在实际的检测过程中，被测电路和检测电路互不干扰。霍尔电流传感器有直接测量式和零磁通式两种构成形式。

霍尔电流传感器一般应用在以下方面：

（1）继电保护与测量

来自输电线路电流互感器的二次电流，经霍尔电流传感器，可以按照比例输出毫伏电压，再经运算放大器放大、有源滤波，即可得到电压信号，最后送至电脑进行测量或处理。霍尔电流传感器的使用，对于实现无畸变、无延时的信号转换具有重要作用。

（2）电子点焊机

霍尔电流传感器在电子点焊机的电源中起测量和控制的作用。由于它可以快速响应，因此电流、电压波形能够实现再现，将电流、电压反馈到可控整流器，可控制其输出。用霍尔电流传感器进行电流检测，不仅可以检测到电流的真正瞬时值，同时也不会引入损耗。

（3）用于电能管理

将霍尔器件的输出和计算机进行联网，可以监控用电的情况，若发现过载，便及时断开受控线路，从而在很大程度上保证用电设备的安全。使用霍尔电流传感器，还可以进行电网的遥控、遥测和巡检等工作。

（4）在电网无功功率自动补偿中的应用

在电力系统中，为了使电网的功率因数始终保持在最佳状态，减少供电变压器及输送线路的损耗，无功功率的补偿装置不可或缺，无功功率自动补偿是指补偿容量随负荷和电压波动而变化，及时准确地投入和切除电容器，避免补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济。无功功率的自动采样可以使用霍尔电流、电压传感器，由于它们响应速度快，且无相位差，所以可以保证达到“及时、准确”的效果。

2.3 电功率测量

使负载电压变换，令其与霍尔器件的工作电流成比例，将负载电流通入磁芯绕组中，作为霍尔电流传感器的被测电流，即可构成霍尔功率计。由霍尔器件输出的霍尔电压来指示功率。

结语：霍尔效应于1897年被美国物理学家霍尔发现后，引起很大轰动，相继很多科学家投入到理论与应用的研究中。霍尔效应在电磁测量、非电量测量、自动控制等方面的应用十分广泛，本文着重探讨了霍尔效应在电磁测量方面的应用。

[1]戴国平. 霍尔效应原理与应用分析[J]. 科协论坛（下半月），2013（11）：34-35.

[2]邢红宏，张勇. 霍尔效应磁场测量仪器的改进[J]. 实验技术与管理，2016,33（5）：78-81.