交直流电流探头原理.ppt

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1、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。1,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

2、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“”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、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vdb里的载流子全部通过横

3、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

4、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

5、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

6、附加误差的影响。具体方法如下：当（+B，+IH）时测量，U1UHU0UEUNURL（1）当（+B，-IH）时测量，U2UHU0UEUNURL（2）当（-B，-IH）时测量，U3UHU0+UEUNURL（3）当（-B，+IH）时测量，U4UHU0UEUNURL（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UEUH，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。用示波器观察和检测电流信号的需求也日益频繁。探

7、头对于示波器测量是非常关键的，把一个探头连结到一个电路能影响电路的运行，并且，一台示波器仅仅能够显示和测量探头传送的示波器输入信号。因此，探头对于被测回路，必须有最小的影响，同时对想要做的测量应保证足够的信号保真度。如果探头不能保持信号的保真度，如果它以任何方式改变信号或改变一个电路的动作，示波器将显示实际信号的一个畸变的型式。其结果会导致出错的或者误导的测量。,磁电式传感器的应用示波器电流探头,对示波器电流探头的要求：频率范围宽：从直流到几十甚至上百兆。幅度范围大：从毫安至千安。体积尺寸小：随着集成度的提高和信号频率的增加，元器件的外型尺寸越来越小和引脚越来越短。操作方便准确度高现有技术条件

8、：线圈耦合-适合几k赫兹以上的电流。霍尔器件-适合直流至几十k赫兹的电流。,磁电式传感器的应用示波器电流探头,示波器电流测量实例：Tektronix 503S,系统在直流和低频交流时的工作原理当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，相应地，会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。系统根据这个电动势产生一个反相（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流值。用这个方法，能非常线性地测量大电流，包括交直流混合的电流。,磁电式传感器的应用示波器电流探头,系统在高频时的工作原理随着被测电流频率的增

9、加，霍尔效应逐渐减弱。当测量一个不含直流成分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。探头就象一个电流变压器。系统直接测量的是感应电流，而不是补偿电流。功放的输出为线圈提供了一个低阻抗的接地回路。,磁电式传感器的应用示波器电流探头,系统在交叉区域时的工作原理当系统工作在20kHz的高低频交叉区域时，部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。图示(a)为被测电流波形。图示(b)为通过霍尔传感器产生的补偿电流波形。图示(c)为直接感应到线圈的被测电流的高频部分。图示(d)为系统综合两部分电流后得到的测试结果。,磁电式传感器的应用示波器电流探头,磁电式传感器的

10、应用示波器电流探头,Tektronix AM503A电流探头放大器系统综述直流信号的路径源自霍尔传感器，流经霍尔预放、功放、探头线圈、衰减器，最终通过输出放大器输出。交流信号的路径源自探头线圈，流经衰减器，最终通过输出放大器输出。整个系统的增益由衰减器和输出放大器的设置决定。这些电路由微处理器集及其接口电路控制。,交流探头。因为他们设计上的原因，电流探头不能通过直流或低频率信号。因此，他们的带宽必须用两个值详细说明，一个是低频率，另一个是高频率。对于示波器测量，实际关心的问题是示波器和探头组合的总的带宽。这一系统性能最终决定测量的性能。不幸的是，把一个探头接入一台示波器将导致带宽性能的降低。例如，使用一台 100 兆赫示波器及100 兆赫探头，将导致测量系统的性能低于兆赫100兆赫。直流减少电流探头线圈磁芯的磁导率。减少的磁导率导致线圈感应和 L/R 时间常数的减小。结果是减小低频耦合性能，遗失低频电流感应性能。一些交流电流探头提供电流抵偿选项，以使直流的作用为零。,磁电式传感器的应用,