1、磁電傳感器磁電效應將材質均勻的金屬或半導體通電并置于磁場中，所產生的各種變化稱為電磁效應。在金屬或半導體薄片中通以控制電流I,并在薄片的垂 直方向上施加磁感應強度為B的磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上會產生電動勢（霍爾電勢）。這種現象稱為霍爾效應。&若給通有電流的金屬或半導體薄片加以與電流方向垂直的外磁場，不但產生霍爾效應，而且試件的電阻值會變大。畤蟲磁阻效應。霍爾效應若將通有電流的導體置 于磁場B之中，磁場B（沿z軸）垂直于電流仏霍爾效應（沿x軸）的方向，如圖 所示，則在導體中垂直 于B和仿的方向上出現一 個橫向電位差4。方為霍爾畀I、II而Z間“J電位差霍爾效應的機理（一）將一塊

2、厚度為d、寬度為b、長度為L的半導體薄片（霍爾片）放置在磁場 B中，磁場B沿Z軸正方向。當電流沿X軸正方向通過半導體時，若薄片中 的載流子（設為自由電子）以平均速度u沿X軸負方向作定向運動，所受 的洛倫茲力為fB=evB.在心的作用下自由電子受力偏轉，結果向板面積聚，同時在板而 “II”上出現同數量的正電荷。這樣就形成一個沿Y軸負方向上的橫向電 場，使自由電子在受沿Y軸負方向上的洛倫茲力汗的同時，也受一個沿Y 軸正方向的電場力心。設E為電場強度，U.（即霍爾電壓） ©兀將阻礙電荷的積聚，最后達穩定狀態時有fB = fE 或 Ujj = vBb霍爾效應的機理（二）©設載流子濃

3、度為n,單位時間內體積為sdb里的載流子全部通過橫 截面，則電流強度"與載流子平均速度曲勺關系為TIH = vdbne 或 v 二一Hdbne將IH = vdbne代入叭=vBb得叭二丄ne d式中一即為霍爾系數/?h。nen©考慮霍爾片厚度d的影響，引進一個重要參數,心=厶，nned則Uh二vEb式可寫為UH =KhIhBKh稱為霍爾元件的靈敏度。霍爾電壓的特性1 在一定的工作電流人下，霍爾電壓S與外磁場磁感應強 度B成正比。這就是霍爾效應檢測磁場的原理。2在一定的外磁場中, 強度仿（工作電流） 原理。Kh【h霍爾電壓比與通過霍爾片的電流 成正比。這就霍爾效應檢測電流的I

4、H =khb霍爾效應的副效應(二)在測量霍爾電壓時，會伴隨產生一些副效應，影響到測量的精確度, 這些副效應是：1. 不等位效應由于制造工藝技術的限制，霍爾元件的電位極不可能接在同一等 位面上，因此，當電流Ih流過霍爾元件時，即使不加磁場，兩電 極間也會產生一電位差，稱不等位電位差U。顯然，U。只與電流 lc有關，而與磁場無關。2. 埃廷豪森效應(Etinghausen effect)由于霍爾片內部的載流子速度服從統計分布，有快有慢，由于它 們在磁場中受的洛倫茲力不同，則軌道偏轉也不相同。動能大的 載流子趨向霍爾片的一側，而動能小的載流子趨向另一側，隨著 載流子的動能轉化為熱能，使兩側的溫升不同

5、，形成一個橫向溫 度梯度，引起溫差電壓Ue，Ue的正負與咕、B的方向有關。3. 能斯特效應(Nernst effect)由于兩個電流電極與霍爾片的接觸電阻不等，當有電流通過時，在 兩電流電極上有溫度差存在，出現熱擴散電流，在磁場的作用下, 建立一個橫向電場En，因而產生附加電壓Un。Un的正負僅取決 于磁場的方向。4里紀勒杜克效應(RighiLeduc effect)由于熱擴散電流的載流子的遷移率不同，類似于埃廷豪森效應中載 流子速度不同一樣，也將形成一個橫向的溫度梯度而產生相應的 溫度電壓Url，Url的正、負只與B的方向有關，和電流咕的方向 無關。霍爾效應的副效應的消除方法由于附加電壓的存

6、在，實測的電壓，既包括霍爾電壓Uh，也包括U。、Ue、 5和Url等這些附加電壓，形成測量中的系統誤差來源。但我們利用這 些附加電壓與電流咕和磁感應強度B的方向有關，測量時改變咕和B的方 向基本上可以消除這些附加誤差的影響。具體方法如下：當(+B, +IH)時測量，5 = Uh+Uo+Ue+Un+Url(1)當(+B,咕)時測量，U2=-UH-U0-UE+UN + URL (2)當(-B, -lH)時測量，U3=UH-U0+UE-UN-URL (3)當(-B, +咕)時測量，U4=-UH+U0-UE-UN-URL (4) 式(1) - (2) + (3) 一(4)并取平均值，則得Uh +Ue=

7、*(U-6+U3-U 這樣處理后，除埃廷豪森效應引起的附加電壓外，其它幾個主要的附加電 壓全部被消除了。但因Ue<<uh,故可將上式寫為UH=(U1-U2+U3-U4)磁電式傳感器的應用示波器電流探頭&背景：隨著科學技術的發展，電子技術的應用領域日益廣泛，信號 的頻率愈來愈高，對信號的分析要求愈來愈細致。用示波器 觀察和檢測電流信號的需求也日益頻繁。探頭對于示波器測量是非常關鍵的，把一個探頭連結到一個 電路能影響電路的運行，并且，一臺示波器僅僅能夠顯示和 測量探頭傳送的示波器輸入信號。因此，探頭對于被測回路, 必須有最小的影響，同時對想要做的測量應保證足夠的信號 保真度。如

8、果探頭不能保持信號的保真度，如果它以任何方 式改變信號或改變一個電路的動作，示波器將顯示實際信號 的一個畸變的型式。其結果會導致出錯的或者誤導的測量。對示波器電流探頭的要求：頻率范圍寬：從直流到幾十甚至上百兆。幅度范圍大：從毫安至千安。體積尺寸小：隨著集成度的提高和信號頻率的增加，元器件 的外型尺寸越來越小和引腳越來越短。操作方便準確度高現有技術條件：線圈耦合適合幾k赫茲以上的電流。霍爾器件-適合直流至幾十k赫茲的電流。示波器電流測量實例：Tektronix 503SA6302 ProbeA6303 Probe (Optional)AM503AAmpli1ier磁電式傳感器的應用示波器電流探頭

9、inverse or Bucking" CurrentOutput VoltageInput Bias CurrentMagnetic unes of ForceCurrent Probe TransformerBiasSupplyHall Preamplifier Power AmplifierAttenuator Output Amplifier Measurement Output系統在直流和低頻交流時的工作原理 當電流鉗閉合，把一通有電流的導體圍在中心時，相 應地，會出現一個磁場。這些磁場使霍爾傳感器內 的電子發生偏轉，在霍爾傳感器的輸出產生一個電 動勢。系統根據這個電動勢產

10、生一個反相（補償） 電流送至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場為零, 以防止磁飽和。系統根據反相電流測得實際得電流 值。用這個方法，能非常線性地測量大電流，包括 交直流混合的電流。磁電式傳感器的應用示波器電流探頭令系統在高頻時的工作原理隨著被測電流頻率的增加，霍爾效應逐漸減弱。當測量一個不含直流成 分的高頻交流電流時，大部分是通過磁場的強弱直接感應到電流探 頭的線圈。探頭就象一個電流變壓器。系統直接測量的是感應電流， 而不是補償電流。功放的輸岀為線圈提供了一個低阻抗的接地回路。Current Probe Transform&rCoreProbe Coil磁電式傳感器的應用示波器電流探頭&

11、amp;系統在交叉區域時的工作原理當系統工作在20kHz的高低頻交叉區域時，部分測 量是通過霍爾傳感器實現的，另一部分是通過 線圈實現的。圖示(a)為被測電流波形。圖示(b)為通過霍爾傳感器產生的補償電流波形。 圖示(c)為直接感應到線圈的被測電流的高頻部分。 圖示(d)為系統綜合兩部分電流后得到的測試結果。(b) Low-FrequMcy Information from Hall Dwlce, Amplified and Applied to Input of Attenuator(c) High-Frequency Information from Transformer Applied

12、 to Input of Attenuator(d) Resultant Waveform Soon at tbQ Output of tho AM 503Aa Combine ton of (b) and (c)Figure 3-8: Waveform Components of the Current Probee Tektronix AM503A電流 探頭放大器系統綜述直流信號的路徑源自霍爾傳感器, 流經霍爾預放、功放、探頭 線圈、衰減器，最終通過輸 由放大密4俞出。交流信號的路徑源自探頭線圈， 流經衰減器，最終通過輸出 放大鑒輸由。Probe HailDQVtCQProbe Coil整個系統的增益由衰減器和輸出 放大器的設置決定。這些電 路由微處理器集及其接口電 路控制。磁電式傳感器的應用交流探頭。因為他們設計上的原因，電流探頭不能通過直流或低 頻率信號。因此，他們的帶寬必須用兩個值詳細說明，一個是低 頻