霍尔传感器是根据霍尔效应制成的磁场传感器。 霍尔效应是磁电效应的一种，由霍尔（AH Hall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电机理时发现。 后来发现半导体和导电液也有这种作用，而且半导体的霍尔效应比金属强得多。 利用这种现象制成的各种霍尔元件广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理等方面。 霍尔效应是研究半导体材料特性的基本方法。 霍尔效应实验测得的霍尔系数可以决定半导体材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等重要参数。
霍尔电压随磁场强度而变化。 磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。 霍尔电压很小，通常只有几毫伏，但在集成电路中被放大器放大了。 该电压可以放大到足以输出更强的信号。 如果用霍尔集成电路作传感器，则需要用机械的方法来改变磁感应强度。 这样，霍尔集成电路输出电压的变化就可以指示叶轮传动轴的某一位置。 利用这个工作原理，霍尔集成电路芯片可以用作点火正时传感器。 霍尔效应传感器是无源传感器，需要外部电源才能工作，这使它们能够检测低速运行。
1、磁饱和现象
所谓磁饱和是指电磁式电流互感器铁芯中的磁通密度大于饱和磁通密度后，磁通密度将不再因初级电流的增大而增大。
2、磁饱和的原因
磁通密度是交变变量。 当不存在磁饱和时，变压器铁心的磁通密度最大值为： Bm=E2/(4.44*f*N2*S) 其中E2为次级绕组的感应电动势，约等于次级绕组输出电压。 N2为次级绕组匝数，S为铁芯截面积。 对于固定变压器，N2 和 S 是常数值。 因此，铁心磁通密度与次级电压成正比，与电流频率成反比。 次级电压由次级电流和次级负载决定。 可见，造成电磁式电流互感器磁饱和的原因有：
A、一次电流过大，大于额定电流；
B、二次负载过大，大于额定二次负载；
C、当前频率过低，低于额定频率。
3、磁饱和危害
电流互感器发生磁饱和后，一次电流与二次电流不再成正比，电流互感器不能正常测量或保护功能，造成安全事故。 另外，在磁饱和状态下，铁芯内的磁通密度大，涡流损耗和磁滞损耗大，铁芯发热，变压器容易损坏。
一、霍尔电流传感器的工作原理
霍尔电流传感器根据工作原理的不同分为开环霍尔电流传感器和闭环霍尔电流传感器。
一、开环霍尔电流传感器工作原理
开环式霍尔电流传感器又称：直接放电式霍尔电流传感器、直接检测式霍尔电流传感器等。
如图1所示，开环霍尔电流传感器由磁芯、霍尔元件和放大电路组成。 磁芯有开放的气隙，霍尔元件放置在气隙中。 当电流流过初级导体时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，磁芯将磁力线聚集到气隙中，霍尔元件输出与气隙处的磁感应强度成正比的电压信号，经放大电路将信号放大后输出。 这类传感器通常输出±10V左右的电压信号，有些传感器为了增强电磁兼容性，将其转换成电流信号输出。
图1 开环霍尔电流传感器工作原理
2、闭环霍尔电流传感器工作原理
闭环霍尔电流传感器又称：零磁通霍尔电流传感器、零磁通变压器、磁平衡霍尔电流传感器等。
如图2所示，闭环霍尔电流传感器包括磁芯、霍尔元件、放大电路和次级补偿绕组。 与开环霍尔电流传感器相比，闭环霍尔电流传感器多了一个二次侧补偿绕组，大大提高了闭环霍尔电流传感器的性能。
图2 闭环霍尔电流传感器工作原理
放大电路接受霍尔元件的输出，将其放大为电流信号，提供给二次侧补偿绕组。 磁芯中副边补偿绕组产生的磁场与原边电流在气隙处产生的磁场相等，方向相反，抵消原边磁场形成负反馈闭环控制电路。
如果副边的电流太小，产生的磁场不足以抵消原边的磁场，放大电路就会输出较大的电流。 反之，放大电路的输出电流会减小，以维持气隙处磁场的平衡。
如果原边电流发生变化，气隙处的磁场平衡被破坏，负反馈闭环控制电路也会调整副边的输出电路，使磁场重新平衡。
宏观上看，气隙会一直保持零磁通，保持磁平衡，这也是零磁通变压器和磁平衡霍尔电流传感器名称的由来。
3、闭环霍尔电流传感器与开环霍尔电流传感器的主要区别
A.带宽差异
从微观上讲，气隙处的磁场总是在零磁通量附近变化。 由于磁场在很小的范围内变化，变化的频率可以更快。 因此，闭环霍尔电流传感器具有快速的响应时间。 实际闭环霍尔电流传感器带宽通常可以达到100kHz以上。 开环霍尔电流传感器的带宽通常较窄，如：LEM公司的HAZ系列开环霍尔电流传感器带宽约为3kHz。
B、精度差异
开环霍尔电流传感器副边的输出与磁芯气隙处的磁感应强度成正比，磁芯采用高导磁率材料。 非线性和磁滞效应是所有高磁导率材料的固有特性。 因此，开环式霍尔电流传感器一般线性角度较差，原边信号上升和下降时副边的输出会有所不同。 开环霍尔电流传感器精度通常低于 1%。 由于闭环霍尔电流传感器工作在零磁通状态，磁芯的非线性和磁滞效应不会影响输出，可以获得更好的线性度和更高的精度。 闭环霍尔电流传感器的精度一般可达0.2%。
2、霍尔电流传感器磁饱和问题
许多霍尔电流传感器制造商也在其技术材料中宣传不存在磁饱和作为霍尔电流传感器的重要优势。 霍尔电流传感器不存在磁饱和几乎是霍尔电流传感器应用以来得到广泛认可的主要优点之一。 是真的吗？
事实上，霍尔电流传感器含有一个非线性磁芯，这已经决定了霍尔电流传感器在某些情况下会发生磁饱和！
1、开环霍尔电流传感器的磁饱和问题
下图是所有高导磁率材料的典型磁化曲线示意图：
图3 霍尔电流传感器磁芯的磁化曲线
图中Oa'为初始非线性段，a'a''为线性段，a''a为饱和区。 众所周知，为了获得更好的测量结果，无论是开环霍尔电流传感器还是电磁变压器，都会采用磁化曲线中线性度较好的一段作为工作范围。 也就是说，只要磁感应强度超过线性区的一定范围，就会发生磁饱和。
与电磁变压器相比开环和闭环开环和闭环，开环霍尔电流传感器磁饱和的原因只有一个，即初级电流足够大。 不会因电流频率低而引起磁饱和，这是霍尔电流传感器的优点，也是开环霍尔电流传感器的磁饱和特性。 相比之下，电磁变压器还有一个优点，就是二次负载足够小，即使过载很大也不会出现磁饱和。
2、闭环霍尔电流传感器的磁饱和问题开环霍尔电流传感器的磁饱和问题比较简单。 相比之下，闭环霍尔电流传感器的磁饱和问题就显得难以理解了，因为闭环霍尔电流传感器在正常工作时，磁芯中的磁通量为零，而在零磁通量下，它不会自然饱和。 但是，这只是在正常操作条件下！
事实上，即使电磁式电流互感器或开环式霍尔电流传感器在过载、低频、重载等非正常工作条件下出现磁饱和问题，在正常工作条件下也不会出现。 磁饱和！
从闭环霍尔电流传感器的工作原理可以看出，零磁通建立的前提是副边补偿绕组产生的磁场能够抵消原边导体产生的磁场。 那么，闭环霍尔电流传感器能否在任何情况下都保持这个零磁通呢？ 很明显不是！
A. 传感器不供电时，二次侧补偿绕组不产生电流。 此时，闭环霍尔电流传感器相当于开环霍尔电流传感器。 只要初级电流足够大，就会发生磁饱和。
B、供电正常，但初级电流过大。 这是因为次级补偿绕组所能产生的电流毕竟是有限的。 当初级电流产生的磁场大于次级补偿绕组所能产生的最大磁场时，磁平衡被打破，有磁场通过磁芯。 当电流继续增加时，磁芯中的磁场也随之增加。 当初级电流足够大时，闭环霍尔电流传感器进入磁饱和状态！
与电磁式电流互感器和开环式霍尔电流传感器相比，闭环式霍尔电流传感器发生磁饱和的可能性较小，但不代表不会发生。 使用不当或长期过载也会造成磁饱和。
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