淺談霍爾效應及其應用

霍爾效應的本質是電磁感應原理，該效應的表現為頻繁的電磁信號傳輸以及轉換。隨著科學的進步，工業自動化技術越來越廣泛的應用于各個領域，在工業自動化技術的信號傳輸以及能量交換的各個環節中，霍爾效應都有很高的存在感。因此，對霍爾效應原理的分析并結合其實際應用可以加深理解并對更加深入的研究提供基礎參考。

1  霍爾效應原理簡析

霍爾效應是在與磁場垂直的帶電導體中施加一個磁場，導體中的電子由于受到洛倫茲力的作用而產生偏移，從而產生感應電動勢（電動勢方向通過左手定則確定）的現象。具體分析如下圖所示。

圖1  霍爾效應原理圖

從上圖中可以看出，長方體半導體極板中電子水平方向運動，與電流方向相反，由于垂直于該半導體的磁場B的作用，極板中的電子收到洛倫茲力fL的作用運動軌跡發生偏移，從而導致半導體極板中電子分布不均并產生感應電動勢EH，電子偏移的方向通過左手定則可以判斷，而感應電動勢EH的方向與其相反。

霍爾效應由于其電磁感應的特點，非常適用于用在帶電信號傳輸的電路中，由于半導體技術的發展，強度高，磁場穩定，測量精度高的電磁元件不斷出現，該類元件利用霍爾效應原理制成并廣泛應用到高電壓測量以及電力電子技術等低電壓信號以及二次弱信號測量中。

2  霍爾效應的實際應用

由于霍爾效應的特點，其在信號測量、控制以及保護等多個領域中的應用非常廣泛，本文將通過介紹霍爾傳感器、霍爾開關電路以及磁流體發電技術等利用霍爾效應制成的器件對霍爾效應進行更加形象的介紹。

2.1  霍爾傳感器

霍爾傳感器是霍爾效應的典型應用。霍爾傳感器類型較多，可以測量位移、角度、轉速、壓力、液位、電壓等各種參數，但其測量原理相同，都是通過電磁感應原理，把磁信號轉變為電信號從而進行采集分析。因此本文主要通過對霍爾電壓傳感器以及位移傳感器的分析來對霍爾傳感器進行理解。

2.2  電壓傳感器

霍爾電壓傳感器是一種利用霍爾效應電磁感應原理所制成的測量元器件。其一般通過內置或外接限流電阻，將輸入電流限制在10mA以內，以保證測量的安全性。該輸入電流經過線圈繞組后經過聚磁材料將其產生磁場被氣隙中的霍爾元件檢測到，通過電磁感應原理感應出二次電流，該補償線圈產生的磁通與原邊電流（被測電壓通過限流電阻產生）產生的磁通大小相等，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包括磁環、原邊輸入線圈、副邊輸出線圈、差分放大器等主要器件構成，另外還需要限流電阻來對副邊感應電流進行限制，具體分析如下：

由于原邊輸入電流IP限制為10mA以內，因此需要通過限流電阻R1將輸入電流限制在規定范圍之內，具體為：

                                       IP=VP/R1                                                      （1）

原邊電流IP經過原邊線圈感應出磁場B，經過電磁感應原理在副邊線圈中產生二次電流IS’，然后二次電流IS’經過差分放大器放大后的電流為IS，最后通過測量電阻RM后即可測量二次電壓UM。實際測量中再根據所測量的二次電壓UM通過霍爾傳感器互感倍數折算后即可計算出一次側電壓值。

2.3  位移傳感器

由于磁場的分布是不均勻的，同一載流體在不同強度磁場中所感應出的電壓大小不同，根據這個原理制成了位移傳感器，位移傳感器置于兩塊磁體所構成的磁場中，由于磁感應強度在磁場中的各個位置是不同的，因此當位移傳感器在其中移動時，所感應出的電壓是不同的，根據這個原理，就可以通過感應電壓測量出位移的距離。

同時，轉速、角度、壓力等都是通過該原理所制成。

2.4  優缺點

通過實際應用分析我們可以發現，霍爾傳感器在使用中具有測量原理簡單，測量范圍廣，測量精度高（利用差分放大器）等特點，另外通過分析可以發現其他特點：

（1）由于其對于差分放大器的使用可以發現，其可以測量極微弱的磁場，因此在測量某些磁場元件時傳感器可以做的很小；

（2）由于其利用電磁感應原理，因此其對一二次電路進行了隔離，在工業測量中安全性較高；

（3）另外霍爾傳感器還具有能夠測量任意波形、帶寬較寬、結構牢固、壽命長、功耗低等優點。

霍爾傳感器也存在缺點，其主要缺點為測量結構極易受溫度影響，線性度比較差。該缺點在電力電子等發熱較多的器件中體現極為明顯，因此需要根據其實際使用環境對其線性度根據溫度進行校正，以確保實際使用準確度。

2.5  霍爾開關電路

在電力應用中，廣泛的應用到各類保護及控制開關。霍爾開關是通過電磁感應原理，通過測量磁感應強度B的大小來制成的。由于電路中的電流與其所產生的磁感應強度B成正比，當電流增大時，磁感應強度也增大，感應出的二次電流也隨之增大，當電路中一次電流增大到一定值，二次電流檢測到之后開關內部觸發器動作，從而進行保護。利用這個特點不僅可以制成過流保護開關，還可以制成過壓、欠壓、欠流等各種類型保護開關。

霍爾開關具有無觸點、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，內部采用環氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環境下可靠的工作。

利用霍爾開關電路的特點，可以制成各種與二次控制相關的接近開關、傳感器、觸發開關、保護開關等產品。

2.6  磁流體發電技術

磁流體發電裝置是一種新型發電裝置，目前仍在不斷研究過程中。其原理為通過高溫使等離子氣體產生電離的同時對其進行加速，使電離的電子高速通過磁場，從而由于洛倫茲力的作用，電子大量聚集在磁場中半導體極板的兩端，從而產生電勢差，當電勢差達到一定程度時即可作為穩定的電壓源向外界輸出電壓。

該裝置是通過高速電子代替了傳統發電機使用繞組切割磁感線的發電方式，從而避免了摩擦以及繞組發熱所產生的損耗，節約了能量，在未來的應用前景十分可觀。但目前鑒于技術問題，還不能大面積推廣應用。

3  結語

霍爾效應的應用面十分廣泛，通過其電磁感應原理可以設計各種不同功能的二次器件，這類器件在當今社會發展中有著至關重要的作用。通過上述對霍爾效應原理的分析以及通過實際應用對其進行了更加深入的了解，我們可以從基礎上對其進行一次全面的認識，當然其應用范圍不限于此，隨著社會的發展，越來越多基于霍爾效應的新功能新產品也會隨之出現。

在了解霍爾效應的各種優點的同時，我們也要知道其所存在的不足之處。由于其根據電磁感應原理制成，器件極易受到外部磁場的影響，因此對于制造材料以及工藝的要求也極為嚴格，這無形之中增加了元器件的生產成本，導致利用霍爾效應所制造的器件價格普遍較高。

4  展望

對霍爾效應不斷研究的同時，與其相關的其他理論也在不斷被發現。例如美籍華裔物理學家崔琦和美國物理學家勞克林、施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應；斯坦福華裔教授張首晟與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應”的研究；清華大學、中科院物理所和斯坦福大學研究人員聯合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破等。這些研究成果的出現必將加速該領域的發展，從而推動全行業的進步。

本文來源：《企業科技與發展》：http://www.007hgw.com/w/qk/21223.html