霍尔传感器的制造与实际应用

安科瑞虞佳豪

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种。

这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

一、线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

二、开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样A，A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决定于试样的电类型。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，

当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有：

⑴ 其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则

⑵由⑴、⑵两式可得

⑶ 即霍尔电压VH（A、A′电极之间的电压）与ISB乘积正比与试样厚度d成反比。比例系数 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出 VH（伏）以及知道IIs（安）、B（高斯）和d（厘 米）可按下式计算RH（厘米3/库仑）

霍尔电流传感器的应用范围

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集，广泛应用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制，具有响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强等优点。

直流列头柜是一款针对数据中心机房能源末端，综合采集所有能源数据的智能配电柜。为终端能源监测系统提供高精度测量数据，通过显示单元，实时反映电能质量数据，并通过 RS485 通讯将数据上传至后台环境监控系统，以达到对整个配电系统的实时监控和运行质量的管理。帮助用户优化网络数据中心，加强能耗管理，提高服务器机架运行效率。其主要运用于电信、金融、政府 IT 等数据中心或工业企业等重要客户，为网络服务器等重要设备提供电力分配，配电回路保护、计量、管理与计算机接地等服务。

霍尔电流传感器助力数据中心节能降耗

直流列头柜采用多回路监控装置，它既可以通过测量进线电流、电压、功率、电能参数等，还可以同时监测出多路支路电流、漏电流、电压、功率、电能参数等。同时可显示累积的电能和增量电能，监测了系统运行的各项参数，并通过 HMI 综合显示，降低了对配电柜空间的占用，提高了配电柜的容积率。

霍尔电流传感器可以采集主进线电流、多路支路直流电流及漏电流。霍尔电流传感器将一次侧直流电流转化为模拟量信号输出给多回路监控装置，多回路监控装置对模拟量信号进行采样，计算出测量电流大小。直流列头柜一次系统图和实物图分别如图1、图2所示。

图1 直流列头柜一次系统图

图2 直流列头柜实物图

2020年，数据中心建设被正式列入新基建战略。近几年越来越受到国家重视，数据中心是新基建有序运行的基础保障，被视为“新基建的基础设施”。

在“十四五”规划和2035年远景目标纲要，第十一章中明确指出，“加快构建全国一体化大数据中心体系，强化算力统筹智能调度，建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群”。

装有安科瑞霍尔电流传感器的直流列头柜已经在多个数据中心正式投运，对数据中心各配电设备和用电设备的电力运行参数进行采集，实现多回路在线监测以及故障报警，满足绝大多数数据中心的需求。

审核编辑黄宇