發布日期：2022-10-09 點擊率：2748
霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。
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霍爾傳感器的誤差
霍爾傳感器以無觸點，體積小，結構簡單等優點，在電測、自動控制和計算裝置等方面得到了廣泛應用。由于霍爾傳感器產生誤差的原因多，目前雖然采取了各種補償措施，但僅用一種補償電路很難有效地對各種誤差進行補償。為此，本文設計了一種電路，不用補償電路就能有效地對各種誤差進行補償。
主要誤差及產生原因
1．零位誤差
零位誤差是由不等位電勢所造成的。產生不等位電勢的主要原因是：2個霍爾電極沒有安裝在同一等位面上；材料不均勻造成電阻分布不均勻，控制電極接觸不良，造成電流分布不均勻等。
2．寄生直流電勢誤差
產生寄生直流電勢的主要原因是：控制極與霍爾極元件接觸不良，形成非歐姆接觸；2個霍爾電極大小不對稱，使2個電極的熱容量不同，散熱狀態不同，兩極間出現溫差電勢，使霍爾元件產生溫漂所致。
3．感應零位電勢誤差
霍爾元件在交流或脈動磁場中工作時，即使不加控制電流，由于霍爾極分布不對稱，霍爾端也有一定輸出，其大小正比于磁場的脈動頻率、磁感應強度的幅值和兩霍爾電極引線構成的感應面積。
4．自勵磁場零位電勢誤差
當霍爾元件通以控制電流時，此電流也會產生磁場，稱自勵磁場。當電極引線不對稱時，元件兩邊磁感應強度不相等，將有自勵場的零位電勢輸出。
5．溫度誤差
目前，為了消除以上誤差，除在工藝上注意外，一般都采用電阻補償電路進行補償，但在較精密的測量中效果仍不理想。
消除各種誤差的方法
所取的電位經運放A4組成的電壓跟隨器驅動電纜的屏蔽層，這樣就較好地抑制了交流共模電壓的干擾。圖3所示的電路，適用于各種傳感器電路。
霍爾傳感器使用中的注意事項
（1）為了得到較好的動態特性和靈敏度，必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合，要耦合得好，最好用單根導線且導線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑。
（2）使用中當大的直流電流流過傳感器原邊線圈，且次級電路沒有接通電源或副邊開路，則其磁路被磁化，而產生剩磁，影響測量精度（故使用時要先接通電源和測量端M），發生這種情況時，要先進行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線圈中通一同樣等級大小的交流電流并逐漸減小其值。
（3）在大多數場合，霍爾傳感器都具有很強的抗外磁場干擾能力，一般在距離模塊5-10cm之間存在一個兩倍于工作電流Ip的電流所產生的磁場干擾是可以忽略的，但當有更強的磁場干擾時，要采取適當的措施來解決。通常方法有：
① 調整模塊方向，使外磁場對模塊的影響最小
② 在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩
③ 選用帶雙霍爾元件或多霍爾元件的模塊。
（4）測量的最佳精度是在額定值下得到的，當被測電流遠低于額定值時，要獲得最佳精度，原邊可使用多匝，即：IpNp=額定安匝數。另外，原邊饋線溫度不應超過８０℃。
霍爾傳感器的特點（與普通互感器比較）
1、 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz正弦波。
2、 原邊電路與副邊電路之間完全電絕緣，絕緣電壓一般為2KV至12KV，特殊要求可達20KV至50KV。
3、 精度高：在工作溫度區內精度優于1%，該精度適合于任何波形的測量。而普通互感器一般精度為3%至5%且適合50Hz正弦波形。
4、 線性度好：優于0.1%
5、 動態性能好：響應時間小于１μs跟蹤速度di/dt高于50A/μs
6、 霍爾傳感器模塊這種優異的動態性能為提高現代控制系統的性能提供了關鍵的基礎。與此相比普通的互感器響應時間為10-12ms，它已不能適應工作控制系統發展的需要。
7、 工作頻帶寬：在0-100kHz頻率范圍內精度為１％。在０－５kHz頻率范圍內精度為0.5%。
8、 測量范圍：霍爾傳感器模塊為系統產品，電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。
9、 過載能力強：當原邊電流超負荷，模塊達到飽和，可自動保護，即使過載電流是額定值的２０倍時，模塊也不會損壞。
10、 模塊尺寸小，重量輕，易于安裝，它在系統中不會帶來任何損失。
11、 模塊的初級與次級之間的“電容”是很弱的，在很多應用中，共模電壓的各種影響通常可以忽略，當達到幾千伏/μs的高壓變化時，模塊有自身屏蔽作用。
12、 模塊的高靈敏度，使之能夠區分在“高分量”上的弱信號，例如：在幾百安的直流分量上區分出幾毫安的交流分量。
13、 可靠性高：失效率：λ=0.43╳10-6/小時
14、 抗外磁場干擾能力強：在距模塊5-10cm處有一個兩倍于工作電流（2Ip）的電流所產生的磁場干擾而引起的誤差小于0.5%，這對大多數應用，抗外磁場干擾是足夠的，但對很強磁場的干擾要采取適當的措施。
產生溫度誤差的原因：
1，敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度產生變化。
2，試件材料于應變絲材料的線膨脹系數不一，使應變絲產生附加形變而造成的電阻變化。
溫度補償方法：
1，電橋補償法。這是一種常用和效果較好的補償法。在被測試件上安裝一工作應變計。
2，應變計自補償法。自補償應變計是一種特殊的應變計，當溫度變化時產生的附加應變為零或互相抵消。
霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發現了霍爾效應，但是由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發展，開始用半導體材料制作霍爾元件，由于他的霍爾效應顯著而得到應用和發展。霍爾傳感器是一種當交變磁場經過時產生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵磁場的場強決定的。因此，霍爾傳感器不需要外界電源供電。
霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。
由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于：Rh為霍爾常數，它與半導體材質有關；I為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強度；d為半導體材料的厚度。
對于一個給定的霍爾器件，當偏置電流 I 固定時，UH將完全取決于被測的磁場強度B。
霍爾效應
一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流 I 的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構成外回路，就會產生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出；若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導磁系數的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。
在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓。
工作原理
磁場中有一個霍爾半導體片，恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導體時向一側偏移，使該片在CD方向上產生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。
霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁場強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。
半導體本身固有的特性、半導體制造工藝水平、環境溫度變化、霍爾傳感器的安裝是否合理等，測量誤差一般表現為零誤差和溫度誤差。
傳感器(英文名稱:transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
傳感器的特點包括:微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。
霍爾效應是2113電磁效應的一種，這5261一現象是美國物理學家霍爾（4102E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機制1653時發現的。[1]當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在半導體的兩端產生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應使用左手定則判斷。
中文名
霍爾效應
外文名
Hall
effect
表達式
Vh=BI/(nqd)
提出者
霍爾
提出時間
1879年
快速
導航
解釋
本質
應用
發展
相關效應
研究前景
發現
霍爾效應[2]
在1879年被物理學家霍爾發現，它定義了磁場和感應電壓之間的關系，這種效應和傳統的電磁感應完全不同。當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的作用力，從而在垂直于導體與磁感線的兩個方向上產生電勢差。
雖然這個效應多年前就已經被人們知道并理解，但基于霍爾效應的傳感器在材料工藝獲得重大進展前并不實用，直到出現了高強度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號調節電路。根據設計和配置的不同，霍爾效應傳感器可以作為開/關傳感器或者線性傳感器，廣泛應用于電力系統中。
解釋
在半導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產生電場，電場力與洛倫茲力產生平衡之后，不再聚集，此時電場將會使后來的電子和空穴受到電場力的作用而平衡掉磁場對其產生的洛倫茲力，使得后來的電子和空穴能順利通過不會偏移，這個現象稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓。
方便起見，假設導體為一個長方體，長度分別為a、b、d，磁場垂直ab平面。電流經過ad，電流I
=
nqv(ad)，n為電荷密度。設霍爾電壓為VH，導體沿霍爾電壓方向的電場為VH
/
a。設磁感應強度為B。
洛倫茲力
F=qE+qvB/c(Gauss
單位制)
電荷在橫向受力為零時不再發生橫向偏轉，結果電流在磁場作用下在器件的兩個側面出現了穩定的異號電荷堆積從而形成橫向霍爾電場
由實驗可測出
E=
UH/W
定義霍爾電阻為
RH=
UH/I
=EW/jW=
E/j
j
=
q
n
vRH=-vB/c
/(qn
v)=-
B/(qnc)
UH=RH
I=
-B
I
/(q
n
c)
本質
固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。[4]
正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。[5]
本發明涉及電流傳感器校正技術領域，特別涉及一種霍爾電流傳感器誤差校正方法。
背景技術：
霍爾電流傳感器可廣泛應用與變頻調速裝置、逆變裝置、ups電源、逆變焊機、電解電鍍、數控機床、微機監測系統、電網監控系統和需要隔離檢測電流電壓的各個領域中。霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環原理，當原邊電流ip產生的磁通通過高品質磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補償電流，用于抵消原邊ip產生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經過特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。其具有測量范圍廣、響應速度快、測量精度高、線性度好、動態性能好、工作頻帶寬、可靠性高、過載能力強、測量范圍大、體積小、重量輕、易于安裝等諸多優點。但是，現有的霍爾電流傳感器還存在一些不足，當其供電電源不穩或者環境溫度變化時，霍爾電流傳感器輸出的電壓會存在一定的誤差，從而造成測量的電流不準。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種霍爾電流傳感器誤差校正方法，提高霍爾電流傳感器的輸出精度。
為實現以上目的，本發明采用的技術方案為：一種霍爾電流傳感器誤差校正方法，包括以下步驟：(a)采用高精度直流穩壓電源為霍爾傳感器供電，直流穩壓電源的輸出電壓為霍爾傳感器的額定電壓v1；(b)將霍爾傳感器放入恒溫箱中，采集不同溫度下霍爾傳感器的測量值v0(t)；(c)將測量值v0(t)減去霍爾傳感器的零點偏移值v1/2得到新的偏移值offset1，以溫度和偏移值offset1為行和列繪制校正表格；(d)測量時，采集當前溫度t、實際工作電壓v2以及霍爾傳感器的實際測量值v，根據溫度t從校正表格中查得偏移值offset1_t，校正后的輸出值等于v+offset1_t+v2/2。
與現有技術相比，本發明存在以下技術效果：通過步驟a、b和c來獲得校正表格，然后在實際測量時，通過采集工作溫度t、結合校正表格就能獲取到偏移值offset1_t，再通過對實際工作電壓的采集，經過校正公式的計算，就能得到非常準確的輸出值，減小環境溫度和工作電壓對霍爾電流傳感器的輸出值造成的影響，提高檢測精度，校正后的結果非常的精確。
具體實施方式
下面結合具體的實施方式，對本發明做進一步詳細敘述。
一種霍爾電流傳感器誤差校正方法，包括以下步驟：(a)采用高精度直流穩壓電源為霍爾傳感器供電，這樣可以避免電壓波動影響溫度標定，直流穩壓電源的輸出電壓為霍爾傳感器的額定電壓v1；(b)將霍爾傳感器放入恒溫箱中，采集不同溫度下霍爾傳感器的測量值v0(t)，這里采集的是很多對數據，每對數據包括溫度以及該溫度對應的測量值v0(t)；(c)將測量值v0(t)減去霍爾傳感器的零點偏移值v1/2得到新的偏移值offset1，同樣地，offset1也是和溫度一一對應的，以溫度和偏移值offset1為行和列繪制校正表格，這個表格可以寫到程序或電路中，從而實現自動查表校正功能；(d)測量時，采集當前溫度t、實際工作電壓v2以及霍爾傳感器的實際測量值v，根據溫度t從校正表格中查得偏移值offset1_t，當前采集到的霍爾電源電壓為v2，則其偏移值offset2為v2/2，這樣總的偏移值offset為offset1_t+offset2，校正后的輸出值等于實際測量值v加上總的偏移值，即輸出值等于v+offset1_t+v2/2。通過步驟a、b和c來獲得校正表格，然后在實際測量時，通過采集工作溫度t、結合校正表格就能獲取到偏移值offset1_t，再通過對實際工作電壓的采集，經過校正公式的計算，就能得到非常準確的輸出值，減小環境溫度和工作電壓對霍爾電流傳感器的輸出值造成的影響，提高檢測精度，校正后的結果非常的精確。
作為本發明的優選方案，所述的步驟b包括以下步驟：(b1)將霍爾傳感器放入恒溫箱中，設置恒溫箱的溫度為下限閾值t_min；(b2)待溫度穩定后，記錄當前溫度時霍爾傳感器的測量值v0(t)；(b3)提高恒溫箱的溫度，每隔設定的溫度δt時對當前溫度進行判斷，若當前溫度未超過上限閾值t_max，返回步驟b2，若當前溫度超過上限閾值t_max，執行步驟c。簡單的說，步驟b1-b3就是在恒溫箱中的溫度分別為t_min、t_min+δt、t_min+2δt、…、t_max這些溫度時，測量霍爾傳感器的測量值v0(t)。理論上來說，采樣點越多，校正的越準確，但同時，采樣點多也會帶來更多的采樣數據和更慢的處理速度，所以一般選擇合適的溫度下限、溫度上限、溫度間隔即可。本實施例中優選地，所述的下限閾值t_min＝-20℃，t_max＝80℃，溫度間隔δt＝5℃。也即，在-20℃、-15℃、-10℃、…、75℃、80℃的時候分別測量霍爾傳感器的測量值v0(t)。
本發明采用根據霍爾電源變化進行零點偏移在線校正，采用基于溫度變化離線標定出霍爾偏移并制作溫度與偏移的表格，在實際運行中進行查表在線校正。通過這兩方面的校正使得計算出的電流具有更高的精度，有效解決了采樣電流受電源變化和溫度變化的影響。
技術特征：
技術總結
本發明特別涉及一種霍爾電流傳感器誤差校正方法，包括以下步驟：(A)采用高精度直流穩壓電源為霍爾傳感器供電；(B)將霍爾傳感器放入恒溫箱中，采集不同溫度下霍爾傳感器的測量值；(C)將測量值減去霍爾傳感器的零點偏移值得到新的偏移值Offset1，以溫度和偏移值Offset1為行和列繪制校正表格；(D)測量時，采集溫度T、工作電壓V2以及實際測量值V，根據校正表格校正后輸出。通過對實際工作電壓的采集，經過校正公式的計算，就能得到非常準確的輸出值，減小環境溫度和工作電壓對霍爾電流傳感器的輸出值造成的影響，提高檢測精度，校正后的結果非常的精確。
技術研發人員：王曉文;賈雷;宋波
受保護的技術使用者：成都雅駿汽車制造有限公司
技術研發日：2018.05.22
技術公布日：2018.09.25
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