霍爾-電磁測(cè)量論文.doc

電磁測(cè)量論文 華北電力大學(xué)電磁測(cè)量論文 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：2009 霍爾效應(yīng)以及霍爾電流互感器摘要 介紹和解釋霍爾效應(yīng); 簡(jiǎn)述霍爾電流互感器其檢測(cè)方法。關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng);磁電效應(yīng)；霍爾電流互感器；直流測(cè)量1霍爾效應(yīng)及其解釋霍爾效應(yīng)在1879年被E.H. 霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的感應(yīng)效果完全不同。當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。 雖然這個(gè)效應(yīng)多年前就已經(jīng)被大家知道并理解，但基于霍爾效應(yīng)的傳感器在材料工藝獲得重大進(jìn)展前并不實(shí)用，直到出現(xiàn)了高強(qiáng)度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。流體中的霍爾效應(yīng)是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎(chǔ)?；魻栃?yīng):在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得導(dǎo)體中的電子與電洞受到不同方向的洛倫茲力而往不同方向上聚集，在聚集起來(lái)的電子與電洞之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此一電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子電洞受到電力作用而平衡掉磁場(chǎng)造成的洛倫茲力，使得后來(lái)的電子電洞能順利通過(guò)不會(huì)偏移而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱(chēng)為霍爾電壓。 方便起見(jiàn)，假設(shè)導(dǎo)體為一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度分別為a,b,d，磁場(chǎng)垂直ab平面。電流經(jīng)過(guò)ad，電流I = nqv(ad)，n為電荷密度。設(shè)霍爾電壓為VH，導(dǎo)體沿霍爾電壓方向的電場(chǎng)為VH / a。設(shè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B。 洛倫茲力 f=qE+qvB/c(Gauss 單位制) 電荷在橫向受力為零時(shí)不在發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果電流在磁場(chǎng)作用下在器件的兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)了穩(wěn)定的異號(hào)電荷堆積從而形成橫向霍爾電場(chǎng) E= - vB/c 由實(shí)驗(yàn)可測(cè)出 E= UH/W 定義霍爾電阻為 RH= UH/I =EW/jW= E/j j = q n v RH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc) 實(shí)驗(yàn)表明，在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電位差與電流強(qiáng)度I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，與板的厚度d成反比，即: 2 霍爾效應(yīng)的負(fù)效應(yīng)上述推導(dǎo)是從理想情況出發(fā)的，實(shí)際情況要復(fù)雜得多，在產(chǎn)生霍爾電壓的同時(shí)，還伴生有四種副效應(yīng)，副效應(yīng)產(chǎn)生的電壓疊加在霍爾電壓上，造成系統(tǒng)誤差。為便于說(shuō)明，畫(huà)一簡(jiǎn)圖如圖2所示。（1）厄廷豪森（Eting hausen）效應(yīng)引起的電勢(shì)差。由于電子實(shí)際上并非以同一速度v沿X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，速度大的電子回轉(zhuǎn)半徑大，能較快地到達(dá)接點(diǎn)3的側(cè)面，從而導(dǎo)致3側(cè)面較4側(cè)面集中較多能量高的電子，結(jié)果3、4側(cè)面出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。可以證明。容易理解的正負(fù)與I和B的方向有關(guān)。（2）能斯特（Nernst）效應(yīng)引起的電勢(shì)差。焊點(diǎn)1、2間接觸電阻可能不同，通電發(fā)熱程度不同，故1、2兩點(diǎn)間溫度可能不同，于是引起熱擴(kuò)散電流。與霍爾效應(yīng)類(lèi)似，該熱流也會(huì)在3、4點(diǎn)間形成電勢(shì)差。若只考慮接觸電阻的差異，則的方向僅與B的方向有關(guān)。（3）里紀(jì)勒杜克（RighiLeduc）效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)差。在能斯特效應(yīng)的熱擴(kuò)散電流的載流子由于速度不同，一樣具有厄廷豪森效應(yīng)，又會(huì)在3、4點(diǎn)間形成溫差電動(dòng)勢(shì)。的正負(fù)僅與B的方向有關(guān)，而與I的方向無(wú)關(guān)。（4）不等電勢(shì)效應(yīng)引起的電勢(shì)差。由于制造上困難及材料的不均勻性，3、4兩點(diǎn)實(shí)際上不可能在同一條等勢(shì)線上。因此，即使未加磁場(chǎng)，當(dāng)I流過(guò)時(shí)，3、4兩點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差。的正負(fù)只與電流方向I有關(guān)，而與B的方向無(wú)關(guān)。3.0霍爾互感器電流互感器的作用是可以把數(shù)值較大的一次電流通過(guò)一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來(lái)進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量等用途。如變比為400/5的電流互感器，可以把實(shí)際為400A的電流轉(zhuǎn)變?yōu)?A的電流。電流互感器原理是依據(jù)電磁感應(yīng)原理的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次繞組匝數(shù)很少，串在需要測(cè)量的電流的線路中，因此它經(jīng)常有線路的全部電流流過(guò)，二次繞組匝數(shù)比較多，串接在測(cè)量?jī)x表和保護(hù)回路中，電流互感器在工作時(shí)，它的2次回路始終是閉合的，因此測(cè)量?jī)x表和保護(hù)回路串聯(lián)線圈的阻抗很小，電流互感器的工作狀態(tài)接近短路。3.1 互感器原理在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬(wàn)安都有。為便于二次儀表測(cè)量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測(cè)量是非常危險(xiǎn)的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。 較早前，顯示儀表大部分是指針式的電流電壓表，所以電流互感器的二次電流大多數(shù)是安培級(jí)的（如 5A等）?，F(xiàn)在的電量測(cè)量大多數(shù)字化，而計(jì)算機(jī)的采樣的信號(hào)一般為毫安級(jí)（0-5V、4-20mA等）。微型電流互感器二次電流為毫安級(jí)，主要起大互感器 與采樣之間的橋梁作用。 微型電流互感器也有人稱(chēng)之為“儀用電流互感器”。（“儀用電流互感器”有一層含義是在實(shí)驗(yàn)室使用的多電流比精密電流互感器，一般用于擴(kuò)大儀表量程。） 微型電流互感器與變壓器類(lèi)似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作，變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。如圖繞組N1接被測(cè)電流，稱(chēng)為一次繞組（或原邊繞組、初級(jí)繞組）；繞組N2接測(cè)量?jī)x表，稱(chēng)為二次繞組（或副邊繞組、次級(jí)繞組）。 微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實(shí)際電流比K。微型電流互感器在額定工作電流下工作時(shí)的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示。 Kn=I1n/I2n 微型電流互感器大致可分為兩類(lèi)，測(cè)量用電流互感器和保護(hù)用電流互感器。3.2接線方式電流互感器的接線方式按其所接負(fù)載的運(yùn)行要求確定。最常用的接線方式為單相，三相星形和不完全星形（圖4a、b、c）。 電流互感器電流互感器接線方式 電流互感器接線方式額定變比和誤差互感器的額定變比KN指電壓互感器的額定電壓比和電流互感器的額定電流比。前者定義為原邊繞組額定電壓U1N與副邊繞組額定電壓 U2N之比；后者則為額定電流I1N與I2N之比。即 KN=U1N/U2N （對(duì)電壓互感器） KN=I1N/I2N （對(duì)電流互感器） 電壓（或電流）互感器原邊電壓（或電流）在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),一般規(guī)定為 0.851.15U1N（或10120%I1N），副邊電壓（或電流）應(yīng)按比例變化,而且原、副邊電壓(或電流)應(yīng)該同相位。但由于互感器存在內(nèi)阻 抗、勵(lì)磁電流和損耗等因素而使比值及相位出現(xiàn)誤差，分別稱(chēng)為比差和角差。 比差為經(jīng)折算后的二次電壓（或二次電流）與一次電壓（或一次電流）量值大小之差對(duì)后者之比，即fU 為電壓互感器的比差，fI 為電流互感器的比差。當(dāng)KNU2U1（或KNI2I1）時(shí)，比差為正，反之為負(fù)。 對(duì)沒(méi)有采取補(bǔ)償措施的電壓互感器，比差為負(fù)，角差一般為正值，比差的絕對(duì)值和角差均隨電壓的增大而減??；鐵心飽和時(shí)，比差與角差均隨電壓的增大而增大。 對(duì)于沒(méi)有采取補(bǔ)償措施的電流互感器，比差為負(fù)值，角差為正值，比差的絕對(duì)值和角差均隨電流增大而減小。 采用補(bǔ)償?shù)霓k法可以減小互感器的誤差。一般通過(guò)在互感器上加繞附加繞組或增添附加鐵心，以及接入相應(yīng)的電阻、電感、電容元件來(lái)補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償法有匝數(shù)補(bǔ)償、分?jǐn)?shù)匝補(bǔ)償、小鐵心補(bǔ)償、并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)取?.3測(cè)量用電流互感器電流互感器在測(cè)量交變電流的大電流時(shí)，為便于二次儀表測(cè)量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流（我國(guó)規(guī)定電流互感器的二次額定為5A或1A），另外線路上的電壓都比較高如直接測(cè)量是非常危險(xiǎn)的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。 它是電力系統(tǒng)中測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)等二次設(shè)備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流按比例轉(zhuǎn)換成低電流，電流互感器一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)等。 正常工作時(shí)互感器二次側(cè)處于近似短路狀態(tài)，輸出電壓很低。在運(yùn)行中如果二次繞組開(kāi)路或一次繞組流過(guò)異常電流（如雷電流、諧振過(guò)電流、電容充電電流、電感啟動(dòng)電流等），都會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生數(shù)千伏甚至上萬(wàn)伏的過(guò)電壓。這不僅給二次系統(tǒng)絕緣造成危害，還會(huì)使互感器過(guò)激而燒損，甚至危及運(yùn)行人員的生命安全。 電流互感器1次側(cè)只有1到幾匝，導(dǎo)線截面積大，串入被測(cè)電路。2次側(cè)匝數(shù)多,導(dǎo)線細(xì)，與阻抗較小的儀表(電流表/功率表的電流線圈)構(gòu)成閉路。 電流互感器的運(yùn)行情況相當(dāng)于2次側(cè)短路的變壓器，忽略勵(lì)磁電流，安匝數(shù)相