交直流电流探头原理

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,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,I,H,（,沿,x,轴）的方向，如图所示，则在导体中垂直于,B,和,I,H,的方向上出现一个横向电位差,U,H,。,1,霍尔效应,I,H,U,H,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,f,B,=ev*B.,在,f,B,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,f,B,的同时，也受一个沿,Y,轴正方向的电场力,f,E,。,设,E,为电场强度，,U,H,为霍尔片,I、,面之间的电位差（即霍尔电压），则,f,E,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,I,H,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,R,H,。,考虑霍尔片厚度,d,的影响，引进一个重要参数,K,H,， ，,则 式可写为,K,H,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,I,H,下，霍尔电压,U,H,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,U,H,与通过霍尔片的电流强度,I,H,（,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,I,H,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，,U,0,只与电流,I,C,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,U,E,，,U,E,的正负与,I,H,、,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,E,N,，,因而产生附加电压,U,N,。,U,N,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,U,RL,，,U,RL,的正、负只与,B,的方向有关，和电流,I,H,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,U,H,，,也包括,U,0,、,U,E,、,U,N,和,U,RL,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,I,H,和磁感应强度,B,的方向有关，测量时改变,I,H,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,，+,I,H,）,时测量，,U,1,U,H,U,0,U,E,U,N,U,RL,（,1,）,当（+,B,，-,I,H,）,时测量，,U,2,U,H,U,0,U,E,U,N,U,RL,（2）,当（-,B,，-,I,H,）,时测量，,U,3,U,H,U,0,+U,E,U,N,U,RL,（,3,）,当（-,B,，+,I,H,）,时测量，,U,4,U,H,U,0,U,E,U,N,U,RL,（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,U,E,U,H,，,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：,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,