交直流电流探头原理.ppt

磁电传感器 磁电效应 将材质均匀的金属或半导体通电并置于磁场中，所产生的各种变化称为电磁效应。 在金属或半导体薄片中通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生电动势（霍尔电势）。这种现象称为霍尔效应。 若给通有电流的金属或半导体薄片加以与电流方向垂直的外磁场，不但产生霍尔效应，而且试件的电阻值会变大。即产生磁阻效应。 霍尔效应 若将通有电流的导体置于磁场B之中，磁场B（沿z轴）垂直于电流IH（沿x轴）的方向，如图所示，则在导体中垂直于B和IH的方向上出现一个横向电位差UH。 霍尔效应 IH UH 霍尔效应的机理（一） 将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场B中，磁场B沿Z轴正方向。当电流沿X轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度v沿X轴负方向作定向运动，所受的洛伦兹力为fB ev*B. 在fB的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“I”积聚，同时在板面“Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿Y轴负方向上的洛伦兹力fB 的同时，也受一个沿Y轴正方向的电场力fE。设E为电场强度，UH为霍尔片I、Ⅱ面之间的电位差（即霍尔电压），则 fE 将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 即 或 霍尔效应的机理（二） 设载流子浓度为n，单位时间内体积为v·d·b里的载流子全部通过横截面，则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为 将 代入 得 式中 即为霍尔系数RH。 考虑霍尔片厚度d的影响，引进一个重要参数KH， ， 则 式可写为 KH称为霍尔元件的灵敏度。 霍尔电压的特性 1.在一定的工作电流IH下，霍尔电压UH与外磁场磁感应强度B成正比。这就是霍尔效应检测磁场的原理。 2.在一定的外磁场中，霍尔电压UH与通过霍尔片的电流强度IH（工作电流）成正比。这就霍尔效应检测电流的原理。 霍尔效应的副效应 一） 在测量霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，影响到测量的精确度，这些副效应是： 1. 不等位效应 由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等位面上，因此，当电流IH流过霍尔元件时，即使不加磁场，两电极间也会产生一电位差，称不等位电位差U。显然，U0只与电流IC有关，而与磁场无关。 2. 埃廷豪森效应（Etinghausen effect） 由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，由于它们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。动能大的载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同，形成一个横向温度梯度，引起温差电压UE，UE的正负与IH、B的方向有关。 霍尔效应的副效应 二） 3. 能斯特效应（Nernst effect） 由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下，建立一个横向电场EN，因而产生附加电压UN。UN的正负仅取决于磁场的方向。 4. 里纪-勒杜克效应（Righi-Leduc effect） 由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的温度电压URL，URL的正、负只与B的方向有关，和电流IH的方向无关。 霍尔效应的副效应的消除方法 由于附加电压的存在，实测的电压，既包括霍尔电压UH，也包括U0、UE、UN和URL等这些附加电压，形成测量中的系统误差来源。但我们利用这些附加电压与电流IH和磁感应强度B的方向有关，测量时改变IH和B的方向基本上可以消除这些附加误差的影响。具体方法如下： 当（+B，+IH）时测量，U1＝UH＋U0＋UE＋UN＋URL （1） 当（+B，-IH）时测量，U2＝－UH－U0－UE＋UN＋URL（2） 当（-B，-IH）时测量，U3＝UH－U0+UE－UN－URL （3） 当（-B，+IH）时测量，U4＝－UH＋U0－UE－UN－URL（4） 式（1）－（2）＋（3）－（4）并取平均值，则得 这样处理后，除埃廷豪森效应引起的附加电压外，其它几个主要的附加电压全部被消除了。但因UE＜＜UH，故可将上式写为 磁电式传感器的应用示波器电流探头 背景： 随着科学技术的发展，电子技术的应用领域日益广泛，信号的频率愈来愈高，对信号的分析要求愈来愈细致。用示