浅谈基于霍尔传感器电参量测量系统的选型与设计

摘要：采用霍尔传感器设计一种以AT89C51单片机为核心的电参量检测系统。介绍应用霍尔效应的磁平衡原理实现对电流、电压的准确测量,在此基础上,利用真有效值变换器、多路转换开关及相位差测量电路等实现对交流电功率因素、有功功率、频率等参数的测量。研究结果表明该方法与传统基于电磁原理的互感器测量方法相比,具有线性度好,准确度高,电气高度隔离。其电气隔离性与光耦相比,温度漂移小,故其隔离传送精度远远优于光耦。这为研制一种新型多电参量测量打下了良好的基础。

关键词：霍尔传感器;电参量;检测;单片机

0引言

在自动测控系统中,常需要测量和显示有关电参量。目前大多数测量系统仍采用变压器式电压、电流互感器,由于互感器的非理想性,使得变比和相位测量都存在较大的误差,常需要采用硬件或软件的方法补偿,从而增加了系统的复杂性。采用霍尔检测技术,可以克服互感器这些缺点,能测量从直流到上百千赫兹的各种形状的交流信号,并且达到原副边不失真传递,同时又能实现主电路回路和电子控制电路的隔离,霍尔传感器的输出可直接与单片机接口。因此霍尔传感器已广泛应用于微机测控系统及智能仪表中,是替代互感器的新一代产品。在此提出了利用霍尔传感器对电参量特别是对高电压、大电流的参数的测量。

1测量原理

1.1霍尔效应原理

如图1所示,一个N型半导体薄片,长度为L,宽度为S,厚度为d,在垂直于该半导体薄片平面的方向上,施加磁感应强度为B的磁场,若在长度方向通以电流IC,则运动电荷受到洛伦兹力的作用,正负电荷将分别沿垂直于磁场和电流的方向向导体两端移动,并聚集在导体两端形成一个稳定的电动势UH,这是霍尔电动势(或称之为霍尔电压),这种现象称为霍尔效应。霍尔电压的大小UH=RIB/d=KHICB,其中R为霍尔常数;KH为霍尔元件的乘积灵敏度。

图1霍尔效应原理

1.2用霍尔传感器测量电参量的原理

由霍尔电压公式可知:对于一个成型的霍尔传感器,乘积灵敏度KH是一恒定值,则UH∝ICB,只要通过测量电路测出UH的大小,在B和IC两个参数中,已知一个,可求出另一个,因而任何可转换成B或I的未知量均可利用霍尔元件来测量,任何转换成B和I乘积的未知量亦可进行测量。电参量的测量是根据这一原理实现的。若控制电流IC为常数,磁感应强度B与被测电流成正比,可以做成霍尔电流传感器测电流,若磁感应强度B为常数,IC与被测电压成正比,可制成电压传感器测电压,利用霍尔电压、电流传感器可测交流电的功率因数、电功率和交流电的频率。

由UH=KHICB可知:若IC为直流,产生磁场B的电流I为交流时,UH为交流;若IO亦为直流,则输出也为直流。当IC为交流,IO亦为直流时,输出与IC同频率的交流且其幅值与被测直流IO大小成正比,改变被测电流IO的方向,输出电压UH随之改变。故利用霍尔传感器,既可对直流量进行测量,亦可对交流量进行测量。

2系统结构简图

检测系统构成如图2,被测量经霍尔传感器转换为电压信号,经信号调理电路和多路转换开关选择,通过A/D转换器送给单片机,单片机采用89C51,是该系统的主控器,键盘选用2×4键盘,用于选择被测量的种类,采用数码管或液晶显示被测量的大小。

图2检测系统构成

3电参量的测量方法

3.1电压、电流信号的测量

电流的测量可采用磁平衡式霍尔电流传感器(亦称为零磁通式霍尔传感器)如图3所示。

图3磁平衡式霍尔电流传感器

当被测电流IIN流过原边回路时,在导线周围产生磁场HIN,这个磁场被聚磁环聚集,并感应给霍尔器件,使其有一个信号UH输出;这一信号经放大器A放大,输入到功率放大器中Q1,Q2中,这时相应的功率管导通,从而获得一个补偿电流IO;由于此电流通过多匝绕组所产生的磁场HO与原边回路电流所产生的磁场HIN相反;因而补偿了原来的磁场,使霍尔器件的输出电压UH逐渐减小,当IO与匝数相乘N2IO所产生的磁场与原边N1IIN所产生的磁场相等时,IO不再增加,这时霍尔器件达到零磁通检测作用。这一平衡所建立的时间在1μs之内,这是一个动态平衡过程,即原边回路电流IIN的任何变化均会破坏这一平衡的磁场,一旦磁场失去平衡,霍尔元件有信号输出,经过放大后,立即有相应的电流流过副边线圈进行补偿。因此从宏观上看副边补偿电流的安匝数在任何时间都与原边电流的安匝数保持相等,即N1IIN=N2IO,所以IIN=N2I2/N1(IIN为被测电流,即磁芯中初级绕组中的电流,N1为初级绕组的匝数;IO为补偿绕组中的电流;N2为补偿绕组的匝数)。由原、副边匝数可知,只要测得补偿线圈的电流IO,即可知道原边电流IIN,如原边为导线穿心式,则N1=1,IIN=N2IO。利用同样的原理可进行电压测量,只需在原边线圈回路中串联一个电阻R1,将原边电流IIN转换成被测电压UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO/N1,RIN为原边绕阻的内阻(一般很小不计)。对特高压交流电压的测量,需先经隔离变压器降压后,对降压后的电压进行测量,然后对测量数据乘以降压倍数,即可得被测电压的大小。该测量输出信号为电流形式IO。若在霍尔电流传感器的输出电路与电源零点之间串接恰当的电阻R0,并在该电阻上取电压,构成了电压形式的输出。输出电压经电压调整电路、线性放大电路、不等位补偿电路、射集跟随等获得所需的电压,便于测量与显示。

3.2功率及功率因数、频率等电参数的测量

由正弦交流电有功功率的定义P=UIcosФ可知,只要准确测量出U,I及电流与电压相位差Ф,可算出P与cosФ。采用传统的电磁式电压、电流互感器进行测量,由于互感器的非理想性,除存在变比误差外,更主要的是存在较大的相位误差,这使测得的Ф值不能真实地反映负载的性质。若采用霍尔电压、电流传感器及真有效值转换器(如AD637)等,可以使功率及功率因数的测量精度大大提高。此外,霍尔传感器还可以测量从直流到100kHz的任意波形的交流量,从而克服了电磁式互感器有特定的额定频率的弊端。真有效值转换器可以将正弦波形或任意波形的交流量转换为直流量,输出直流的大小正比于交流量的有效值,且转换精度高,因而测量相对准确。

测量原理如图4所示,交直流电压、电流经霍尔电流传感器、霍尔电压传感器隔离、转换后,得到与之对应的电压信号,再经真有效值转换器转换为直流(直流电不需转换),其大小正比于交流电的有效值,直流(或转换后的直流)电压经A/D变换后送入单片机,这采集到了U,I的大小。

图4

另外将传感器副边输出的电信号U1,U2分别经过零电平比较器1和2,当信号由负变正,通过零点时产生一个脉冲,加到门控电路输入端。设U1超前于U2,则前者作开启信号,后者作关闭信号。门控电路产生一个脉冲宽度对应于两个信号相位差的矩形脉冲,该脉冲一路送单片机的定时/计数器T1口,单片机测出相邻两个矩形脉冲前沿之间的时间间隔t,即为被测信号的周期Tx(频率fx=1/Tx)。另一路送至与门电路,打开计数与门,在此期间,时标信号TS经由与门至单片机的定时/计数器TO口计数,设计数值为N,则U1与U2相位差为ΔФ=TS/TxN×360°。经单片机计算出功率因数cosΦ,进一步计算出有功功率P=UIcosФ,并将测得参数U,I,P,cosФ,φx等送显示电路显示。如要测三相电路的总功率,则分别测得每一相的功率,然后三相功率相加即可。此外,该系统也可测量无功功率和视在功率等电参数。

4安科瑞霍尔传感器产品选型

4.1产品介绍

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

4.2产品选型

4.2.1开口式开环霍尔电流传感器

表1

 4.2.2闭口式开环霍尔电流传感器

表2

 4.2.3闭环霍尔电流传感器

表3

4.2.4直流漏电流传感器

表4

5结束语

基于霍尔传感器的电参量检测系统具有很好的线性度、准确度和良好的反应时间。温度漂移小,霍尔元件在-40～+45℃的温度范围内,霍尔电压的温度系数仅为0.03%～0.04%。这里所介绍的测量方法达到了对电参量进行高精度的隔离传输和准确检测的目的,特别适合高电压、大电流电参量的测量。这为研制一种新的电参量测量仪器打下了一个良好的基础,在工程上具有一定的应用价值。不足之处,霍尔元件存在不等位的电势的影响,需加补偿电路修正。

【参考文献】

[1] 叶波,王哲.霍尔传感器在富康桥车上的应用与检测[J].现代电子技术,2004,27(16):19-20.

[2] 祝 敏.基于霍尔传感器电参量测量系统的设计

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版