基于霍尔效应的应用性实验四川大学物理学院瞿华富1．前言在用计算机进行监控的四遥（遥测、遥控、遥信、遥调）系统中，常常因为监控系统中的工控机与受控系统中的一些设备不能共地、或者在一些受控设备中存在着噪声干扰等原因，必须在工控机与上述受控设备之间进行电隔离，才能保护工控机的安全和可靠的工作。

在隔离中，当被监控的设备是直流开关稳压电源及其负载（用电设备）时，所需要的隔离就不能是一般简单的隔离，而必须是高精度的静电（直流）隔离，其内容包括直流电压高精度的隔离传送和检测、直流电流高精度的隔离检测、监控量越限时准确的隔离报警。

显然，要实现上述高精度的直流隔离应用光电式传感器是不行的，因为稳压电源释放的热量将引起环境温度的变化，而环境温度的变化将导致光电式传感器中光敏管的光电流和暗电流的变化，因此无法达到高精度隔离的目的。

为了克服上述困难而采用了霍尔传感器，由于霍尔传感器应用了磁平衡原理和磁比例式原理，再加上霍尔元件良好的温度特性，因此霍尔传感器不仅传感精度高、线性度好，而且温度漂移小、输入与输出之间高度隔离，所以取得了很好的结果，实现了直流电压高精度的隔离传输和检测、直流电流高精度的隔离检测、直流电压和直流电流越限时准确的隔离报警。

本教材将介绍应用霍尔效应实现高精度的静电（直流）隔离的实用知识和实用技术。

2．霍尔效应的应用知识（1）磁平衡原理如图1所示，当原边电流I IN 通过原边线圈N 1所产生的磁通量与霍尔电压经放大后产生的副边电流I 0通过副边线圈N 2所产生的磁通量平衡时，原边磁动势N 1I IN 与副边磁动势N 2I 0相等，因此副边电流I 0将精确地反映出原边电流值I IN ，这就是磁平衡原理。

图1 磁平衡原理磁芯霍尔元件副边线圈副边电流I INU 0R LI 0U HU H 放大功放I 0N 1N 2（2）磁比例式原理如图2所示，输入电流I IN 所产生的磁场B 与I IN 的大小成正比，根据霍尔效应原理，处在磁场B 中并与B 垂直的霍尔元件所产生的霍尔电压又与磁场B 成正比，于是霍尔元件产生的霍尔电压与输入电流I IN 成比例。

这就是磁比例式原理。

（3）霍尔传感器的主要性能指标由于霍尔效应用于静电隔离的产品即为霍尔传感器，用于电压隔离传送和检测的产品称为霍尔电压传感器，用于电流隔离检测的产品称为霍尔电流传感器，用于电流和电压越限隔离报警的产品称为霍尔开关量传感器，因此，直流电压隔离传送实验板、直流电流隔离检测实验板、监控量越限隔离保护实验板均为传感器。

衡量传感器基本性能的主要指标有很多，如：传感精度、线性度、重复性、温漂、稳定性等。

在这里只介绍最主要的、可用于学生实验的两个重要性能指标。

A ． 传感精度精度，即表示测量结果与“真值”的靠近程度，一般用极限误差来表示，或者用极限误差与满量值之比按百分数给出。

定义△U max 为霍尔传感器的电压传感精度，则有)(21min max max oi oi U U U -±=∆（1）B ． 线性度线性度又称非线性，即表示传感器的输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度。

传感器的线性度是用选定的工作直线与实际工作曲线之间最大的偏差与满量程输出之比表示。

由于工作直线的作法不同，线性度的数值也就不同。

在一般情况下，通常采用端点线性度来表示。

如图3所示，端点是指与量程的上下限值图2磁比例式原理图工作电流霍尔电压霍尔元件磁芯I IN对应的标定数据点。

通常取零点作为端点直线的起点，满量程为终点。

通过这两个端点的直线称为端点直线。

根据这条直线确定的线性度称为端点线性度，用+S 、-S 表示。

[]%100max ⨯-=+Monoi U U U S（2）[]%100min ⨯-=-Monoi U U U S（3）应用性实验一、 直流电压高精度的隔离传送和检测在隔离监控工作中，常常需要解决一个难题，那就是直流电压高精度的隔离传送和检测。

因为计算机对某些物理量（如直流稳压电源的电压和电流）的监控必须通过高精度的隔离传送一直流电压（基准电压）才能实现，同时计算机对一些精度很高的直流电压监控时必须对该电压进行高精度的隔离检测。

经实践证明，应用磁平衡原理研制的霍尔电压传感器可以成功的解决这个难题。

本实验将通过测量霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度，从实 验中学习直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。

[预习与思考题]1．磁平衡原理的内容。

2．传感精度的含意是什么? 3．什么叫端点线性度？[实验目的]1.懂得霍尔电压传感器的工作原理.2.学习应用磁平衡原理实现直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。

3.测量出霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度。

[实验仪器]霍尔效应应用技术综合实验仪；直流电压隔离传送实验板。

[实验原理]直流电压高精度的隔离传送和检测的原理为磁平衡原理。

如图4所示，当原边电压U IN通过R 转换为原边电流I IN ，I IN 通过原边线圈N 1所产生的磁通量与霍尔电压经放大而形成的副边电流I 0通过副边线圈N 2所产生的磁通量平衡时，有I IN N 1=I 0N 2，因此副边电流I 0将精确的反应出原边电流I IN ，I O 在W 2上的电压降U 0将精确地反映出原边电压的电压值U IN 。

[仪器介绍]本实验所用仪器为霍尔效应应用技术综合实验仪和直流电压隔离传送实验板。

霍尔效应应用技术综合实验仪在霍尔效应实验中已有介绍，不再重述。

直流电压隔离传送实验板为图5所示，原理框图如图4所示。

图5 直流电压隔离传送实验板[实验内容]1、研究直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。

2、测量霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度。

[实验要求］1. 测量出霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的精度和线性度。

2. 按表1的要求处理数据，并作出端点线性度曲线。

3. 总结出直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。

[实验电路及实验方法]1、实验电路直流电压高精度隔离传送和检测的实验电路如图4所示。

U H放 大功 放I IN电压表（V ）稳压电源电压表（V ）工作电流W 2（调比例）霍尔元件清除失调 （W1）N 1N 22、实验方法（1）通电检查数字表，其方法请见霍尔效应实验的实验方法（1），检查后关闭电源。

（2）仪表预置测量选择：二号表、三号表掷电压端，一号表不用掷电流端。

稳压源输出电压置最小，即左旋“电压调整”电位器到极限位置。

（3）按图4接线，把6条线接好。

（4）消除失调电压合电源开关，先调“电压调整”使 5.000IN U V ≤（量程），再调W 2（调比例电位器）使0IN U U =，试运行5分钟后断开带“0线”，调W 1（调零电位器）使U 0为0.000V 。

（5）调比例，校量程比例M=U 0∶U IN =U Omax ∶U INmax在本实验中取M=1∶1，因此校量程即为当U IN = U INmax 时，调整W 2（调比例电位器）使U Omax =U INmax 。

方法：接好带“0”线，调“电压调整”使U IN =U INmax ，再调W 2使U 0= U INmax 。

（6）断开带“O ”线，再次消除失调电压；然后接好带“0”线，再次校量程。

（7） 调“电压调整”使U IN 读数先从大到小，再从小到大分别为表1中给定的U IN 值，从U 0测量表上读出与之对应的U 0值。

[数据处理]实验数据处理为表1所示。

表1 霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的精度和线性度测试 U in （v ） 1.0002.0003.0004.0005.000Uo （v ） Uo （v ）△Umax （v ） Sv +Sv-Sv[霍尔电压传感器的用途]应用磁平衡原理研制的霍尔电压传感器适用于基准电压高精度的隔离传送和直流电压高精度的隔离检测。

[总结与思考]1．总结出直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。

2．在霍尔电压传感中为什么要消除失调电压？[参考文献]1．瞿华富等.基于霍尔效应的可调式直流电压传感器的研制[J].四川大学学报（自然科学版），2006（6），1300-1304.2．袁希光.传感器技术手册[M].北京.国防工业出版社，1992. 3．张玉民、戚伯云.电磁学[M].北京：科学出版社，2000。

应用性实验二、直流电流越限时准确的隔离报警在隔离监控中，受控物理量（又称监控量）越限隔离报警尤为重要，因为当监控量越限时已经涉及到设备的安全。

只有做到当监控量越限时能准确的隔离报警才能保护设备的安全。

经实践证明，应用磁比例式原理研制的霍尔开关量传感器能成功的解决了这一难题。

本实验通过测量霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警准确性，学习直流电流越限时准确的隔离报警的方法。

[预习与思考题]1． 磁比例式原理的内容。

2． 直流电流越限时准确的隔离报警有何应用？[实验目的]1.懂得基于霍尔效应的磁比例式原理。

2．学习应用磁比例式原理实现直流电流越限时准确的隔离报警的方法。

3.测量出霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警的准确性。

[实验原理]直流电流越限时准确的隔离报警的原理为磁比例式原理。

如图6所示，根据霍尔效应原理霍尔元件输出的电压U H 与输入电流I IN 成正比，当U H 大于越限设置电压时，“A ”即输出高电平（开关量）将报警信号灯点亮。

由于此类传感器在报警时输出高电平（开关量），因此常称此类霍尔效应传感器为霍尔开关量传感器。

[实验内容]1、研究直流电流越限时准确的隔离报警的方法。

2、测量霍尔开关量传感器在监控量(电流)越限时隔离报警的准确性（精度）。

[实验要求]1、测量出霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警的准确性（精度）。

图6直流电流越限时准确的隔离报警实验电路监控量越限隔离报警实验板 I INAVc报警 电 路越限设置稳压电源 电流表(A)磁芯霍尔元件2、按表2的要求处理数据。

3、总结出直流电流越限时准确的隔离报警的方法。

[仪器介绍]本实验所用仪器为霍尔效应应用技术综合实验仪和监控量越限隔离报警实验板。

霍尔效应应用技术综合实验仪在霍尔效应实验中已经介绍，不再重述。

监控量越限隔离报警实验板如图7所示，原理框图如图6所示。

图7 监控量越限隔离报警实验板[实验电路及实验方法]1、实路电路直流电流越限时准确的隔离报警实验电路如图6所示。

2、实验方法：（1）仪表预置测量选择：三只表全掷电流端。

稳压电源输出置最小，即左旋“电压调整”电位器到极限位置。

（2）按图6接线。

（3）校准及测量a、先调“电压调整”使I XIN为表2中某一给定值时，再调越限量设置使报警显示灯刚亮为止，记录此时的电流值I X（A）。

b、调“电压调整”减小I IN使灯熄，然后再增加I IN在灯刚亮时读出I IN之值。