淺談霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用

潘滕志偉

【摘 要】霍爾效應(yīng)是載流體在磁場(chǎng)中由于切割磁感線(xiàn)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓的現(xiàn)象，其本質(zhì)是電磁感應(yīng)原理。根據(jù)其特點(diǎn)，配合感應(yīng)靈敏度較高的半導(dǎo)體器件，制成霍爾傳感器、各類(lèi)磁環(huán)及開(kāi)關(guān)電路等器件，并廣泛應(yīng)用于信號(hào)測(cè)量、控制及保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。文章通過(guò)霍爾傳感器及霍爾開(kāi)關(guān)電路等的實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)單介紹霍爾效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】霍爾效應(yīng);電磁感應(yīng);霍爾傳感器;開(kāi)關(guān)電路

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP212 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）03-0177-02

0 引言

霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是電磁感應(yīng)原理，該效應(yīng)的表現(xiàn)為頻繁的電磁信號(hào)傳輸及轉(zhuǎn)換。隨著科學(xué)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的信號(hào)傳輸及能量交換的各個(gè)環(huán)節(jié)中，霍爾效應(yīng)都有很高的存在感。因此，對(duì)霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行分析并結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用，可以加深對(duì)霍爾效應(yīng)理解并對(duì)更加深入的研究提供基礎(chǔ)參考。

1 霍爾效應(yīng)原理簡(jiǎn)析

霍爾效應(yīng)是在與磁場(chǎng)垂直的帶電導(dǎo)體中施加一個(gè)磁場(chǎng)，導(dǎo)體中的電子受到洛倫茲力的作用而產(chǎn)生偏移，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)方向通過(guò)左手定則確定）的現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)原理圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，長(zhǎng)方體半導(dǎo)體極板中電子呈水平方向運(yùn)動(dòng)，與電流方向相反，由于垂直于該半導(dǎo)體的磁場(chǎng)B的作用，極板中的電子受到洛倫茲力fL的作用運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體極板中電子分布不均并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH，電子偏移的方向通過(guò)左手定則可以判斷，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH的方向與其相反。

霍爾效應(yīng)由于其電磁感應(yīng)的特點(diǎn)，非常適用于帶電信號(hào)傳輸?shù)碾娐分?，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)度高、磁場(chǎng)穩(wěn)定、測(cè)量精度高的電磁元件不斷出現(xiàn)，該類(lèi)元件利用霍爾效應(yīng)原理制成并廣泛應(yīng)用到高電壓測(cè)量及電力電子技術(shù)等低電壓信號(hào)及二次弱信號(hào)測(cè)量中。

2 霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用

由于霍爾效應(yīng)的特點(diǎn)，其在信號(hào)測(cè)量、控制及保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，本文將通過(guò)介紹霍爾傳感器、霍爾開(kāi)關(guān)電路及磁流體發(fā)電技術(shù)等利用霍爾效應(yīng)制成的器件，對(duì)霍爾效應(yīng)進(jìn)行更加形象的介紹。

2.1 霍爾傳感器

霍爾傳感器是霍爾效應(yīng)的典型應(yīng)用?；魻杺鞲衅黝?lèi)型較多，可以測(cè)量位移、角度、轉(zhuǎn)速、壓力、液位、電壓等各種參數(shù)，其測(cè)量原理都是通過(guò)電磁感應(yīng)原理，把磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)從而進(jìn)行采集分析。因此，本文主要通過(guò)對(duì)霍爾電壓傳感器及位移傳感器的分析來(lái)對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行介紹。

2.2 霍爾電壓傳感器

霍爾電壓傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)電磁感應(yīng)原理所制成的測(cè)量元器件，其一般通過(guò)內(nèi)置或外接限流電阻，將輸入電流限制在10 mA以?xún)?nèi)，以保證測(cè)量的安全性。該輸入電流經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈繞組后再經(jīng)過(guò)聚磁材料，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)被氣隙中的霍爾元件檢測(cè)到，通過(guò)電磁感應(yīng)原理感應(yīng)出二次電流，該補(bǔ)償線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流（被測(cè)電壓通過(guò)限流電阻產(chǎn)生）產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，從而使磁芯中的磁通一直保持為零。

霍爾電壓傳感器主要由磁環(huán)、原邊輸入線(xiàn)圈、副邊輸出線(xiàn)圈、差分放大器等主要器件構(gòu)成，需要限流電阻來(lái)對(duì)副邊感應(yīng)電流進(jìn)行限制，具體分析如下。

由于原邊輸入電流IP限制為10 mA以?xún)?nèi)，因此需要通過(guò)限流電阻R1將輸入電流限制在規(guī)定范圍之內(nèi)，具體如下。

IP=VP /R1 （1）

原邊電流IP經(jīng)過(guò)原邊線(xiàn)圈感應(yīng)出磁場(chǎng)B，經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)原理在副邊線(xiàn)圈中產(chǎn)生二次電流IS，然后二次電流IS經(jīng)過(guò)差分放大器放大后的電流為IS，最后通過(guò)測(cè)量電阻RM后即可測(cè)量二次電壓UM。實(shí)際測(cè)量中，根據(jù)所測(cè)量的二次電壓UM通過(guò)霍爾傳感器互感倍數(shù)折算后即可計(jì)算出一次側(cè)電壓值。

2.3 位移傳感器

由于磁場(chǎng)的分布是不均勻的，同一載流體在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中所感應(yīng)出的電壓大小不同，根據(jù)這個(gè)原理制成位移傳感器。位移傳感器置于兩塊磁體所構(gòu)成的磁場(chǎng)中，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁場(chǎng)中的各個(gè)位置是不同的，因此當(dāng)位移傳感器在其中移動(dòng)時(shí)，所感應(yīng)出的電壓是不同的。根據(jù)這個(gè)原理，就可以通過(guò)感應(yīng)電壓測(cè)量出位移的距離。同時(shí)，轉(zhuǎn)速、角度、壓力等都是通過(guò)該原理得出。

2.4 優(yōu)、缺點(diǎn)分析

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)，霍爾傳感器在使用中具有測(cè)量原理簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高（利用差分放大器）等特點(diǎn)，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)其他特點(diǎn)，如下：①由于霍爾傳感器對(duì)于差分放大器的使用可以發(fā)現(xiàn)，它可以測(cè)量極微弱的磁場(chǎng)，因此在測(cè)量某些磁場(chǎng)元件時(shí)傳感器可以做得很小;②由于霍爾傳感器利用電磁感應(yīng)原理，因此它對(duì)一二次電路進(jìn)行了隔離，在工業(yè)測(cè)量中安全性較高;③霍爾傳感器還具有能夠測(cè)量任意波形、帶寬較寬、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長(zhǎng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

霍爾傳感器也存在缺點(diǎn)，主要缺點(diǎn)測(cè)量結(jié)構(gòu)極易受溫度影響，線(xiàn)性度比較差。該缺點(diǎn)在電力電子等發(fā)熱較多的器件中的體現(xiàn)極為明顯，因此需要根據(jù)其實(shí)際使用環(huán)境對(duì)其線(xiàn)性度根據(jù)溫度進(jìn)行校正，以確保實(shí)際使用準(zhǔn)確度。

2.5 霍爾開(kāi)關(guān)電路

在電力應(yīng)用中，廣泛地應(yīng)用到各類(lèi)保護(hù)及控制開(kāi)關(guān)?；魻栭_(kāi)關(guān)是通過(guò)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小來(lái)制成的。電路中的電流與其所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，當(dāng)電流增大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度也增大，感應(yīng)出的二次電流也隨之增大，當(dāng)電路中一次電流增大到一定值，二次電流檢測(cè)到之后，開(kāi)關(guān)內(nèi)部觸發(fā)器動(dòng)作，從而進(jìn)行保護(hù)。利用這個(gè)特點(diǎn)不僅可以，制成過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)，還可以制成過(guò)壓、欠壓、欠流等各種類(lèi)型保護(hù)開(kāi)關(guān)。

霍爾開(kāi)關(guān)具有無(wú)觸點(diǎn)、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹(shù)脂封灌成一體化，所以能在各類(lèi)惡劣環(huán)境下可靠地工作。

利用霍爾開(kāi)關(guān)電路的特點(diǎn)，可以制成各種與二次控制相關(guān)的接近開(kāi)關(guān)、傳感器、觸發(fā)開(kāi)關(guān)、保護(hù)開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品。

2.6 磁流體發(fā)電技術(shù)

磁流體發(fā)電裝置是一種新型發(fā)電裝置，其原理為通過(guò)高溫使等離子氣體產(chǎn)生電離的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行加速，使電離的電子高速通過(guò)磁場(chǎng)，由于洛倫茲力的作用，電子大量聚集在磁場(chǎng)中半導(dǎo)體極板的兩端，從而產(chǎn)生電勢(shì)差，當(dāng)電勢(shì)差達(dá)到一定程度時(shí)即可作為穩(wěn)定的電壓源向外界輸出電壓。

該裝置是通過(guò)高速電子代替了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)使用繞組切割磁感線(xiàn)的發(fā)電方式，從而避免了摩擦及繞組發(fā)熱所產(chǎn)生的損耗，節(jié)約了能量，在未來(lái)的應(yīng)用前景十分可觀。但目前鑒于技術(shù)水平的限制，還不能大面積推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

霍爾效應(yīng)的應(yīng)用面十分廣泛，通過(guò)其電磁感應(yīng)原理可以設(shè)計(jì)各種不同功能的二次器件，這類(lèi)器件在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用。通過(guò)上述對(duì)霍爾效應(yīng)原理的分析及通過(guò)實(shí)際應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行了更加深入的了解，我們可以從基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行一次全面的認(rèn)識(shí)，當(dāng)然其應(yīng)用范圍不限于此，隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多基于霍爾效應(yīng)的新功能、新產(chǎn)品也會(huì)隨之出現(xiàn)。

在了解霍爾效應(yīng)的各種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，我們也要知道其所存在的不足之處。由于其根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成，器件極易受到外部磁場(chǎng)的影響，因此對(duì)于制造材料及工藝的要求也極為嚴(yán)格，這無(wú)形之中增加了元器件的生產(chǎn)成本，導(dǎo)致利用霍爾效應(yīng)所制造的器件價(jià)格普遍較高。

4 展望

在對(duì)霍爾效應(yīng)不斷研究的同時(shí)，與其相關(guān)的其他理論也不斷被發(fā)現(xiàn)。例如，美籍華裔物理學(xué)家崔琦和美國(guó)物理學(xué)家勞克林、施特默在更強(qiáng)磁場(chǎng)下研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng);斯坦福華裔教授張首晟與母校合作開(kāi)展了“量子自旋霍爾效應(yīng)”的研究;清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反常霍爾效應(yīng)研究中取得重大突破等。這些研究成果的出現(xiàn)必將加速該領(lǐng)域的發(fā)展，從而推動(dòng)全行業(yè)的進(jìn)步。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]賴(lài)俊駒，彭浩，胡金磊，等.基于閉環(huán)霍爾效應(yīng)的電流傳感器設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2018（9）：1-5.

[2]萬(wàn)婷，羅朝明，閔力，等.基于合金介電常數(shù)的可控特性增強(qiáng)光子自旋霍爾效應(yīng)[J].物理學(xué)報(bào)，2018，67（6）：114-120.

[3]李思霖.霍爾效應(yīng)原理及應(yīng)用研究[J].電子世界，2018（2）：80-81.

[4]呂德剛，都澤源，李松.永磁無(wú)刷電機(jī)霍爾位置傳感器容錯(cuò)控制[J/OL].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2019（2）：44-52[2019-02-21].https：//doi.org/10.15938/j.emc，2019-02-06.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]