浅谈基于霍尔电流传感器的电参数测量系统选型安科瑞卢林宇

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在自动测量和控制系统中，常常需要测量和显示相关的电气参数。目前，大多数测量系统仍然采用互感器式电压和电流互感器。由于变压器的非理想特性，变比和相位测量存在较大误差。往往需要硬件或软件的方法来补偿，从而增加了系统的复杂性。复杂。利用霍尔检测技术可以克服变压器的这些缺点，可以测量从直流到数百千赫兹的各种形状的交流信号，并实现原边和副边的无失真传输。同时可以实现主电路回路与电子控制电路的隔离，霍尔传感器的输出可以直接与单片机接口。因此，霍尔传感器已广泛应用于微机测控系统和智能仪表中，是替代变压器的新一代产品。这里提出使用霍尔传感器来测量电参数，特别是高电压和大电流的参数。

我们是霍尔制造商。我们的霍尔传感器包括霍尔电压传感器、开式电流互感器、直流电压传感器、霍尔电流传感器、开闭式电流互感器、直流电流霍尔传感器、开式霍尔电流传感器、霍尔可拆卸电流传感器。传感器开路直流电流传感器霍尔开路开环电流传感器。

1测量原理

1.1 霍尔效应原理

如图1所示，N型半导体片具有长度L、宽度S和厚度d。在与半导体片的平面垂直的方向上施加磁感应强度B的磁场。如果电流沿IC的长度方向通过，移动的电荷就会受到洛伦兹力的影响。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，形成稳定的电动势UH，这就是霍尔电动势。 （或称为霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。霍尔电压的大小为UH=RIB/d=KHICB，其中R为霍尔常数； KH 是霍尔元件的产品灵敏度。

图1 霍尔效应原理

1.2 利用霍尔传感器测量电参数的原理

从霍尔电压公式可以看出，对于模压霍尔传感器，产品灵敏度KH是一个恒定值，那么UHICB，只要通过测量电路测出UH的大小，两个参数B中而IC，一个已知，就可以求出另一个，所以任何可以转换成B或I的未知量都可以用霍尔元件来测量，任何可以转换成B和I的乘积的未知量都可以用霍尔元件来测量。也可进行测量。电参数的测量就是基于这个原理。如果控制电流IC恒定，磁感应强度B与被测电流成正比，则可制成霍尔电流传感器来测量电流。如果磁感应强度B一定，IC与被测电压成正比，则可制成电压传感器来测量电压。霍尔电压和电流传感器可用于测量交流电的功率因数、电功率和频率。

由UH=KHICB可知，若IC为直流，产生磁场B的电流I为交流，则UH为交流；如果IO也是DC，则输出也是DC。当IC为交流、IO为直流时，输出为与IC频率相同的交流，其幅度与被测直流IO的大小成正比。如果被测电流IO的方向改变，则输出电压UH也会相应改变。因此，霍尔传感器可用于测量直流量和交流量。

2 系统结构图

检测系统的组成如图2所示。被测信号由霍尔传感器转换成电压信号。它由信号调理电路和多路复用器开关选择并通过A/D转换器发送到微控制器。单片机采用89C51作为系统的主控制器。键盘采用24键盘，用于选择测量类型，并采用数码管或液晶显示测量的尺寸。

图2 检测系统组成

3 电参数测量方法

3.1 电压、电流信号的测量

可以使用磁平衡霍尔电流传感器（也称为零磁通霍尔传感器）测量电流，如图3 所示。

图3 磁平衡霍尔电流传感器

当被测电流IIN流过初级电路时，导线周围会产生磁场HIN。该磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件，使其输出信号UH；该信号经放大器A放大后输入到功放中的Q1、Q2，相应的功率管导通，从而得到补偿电流IO；因为该电流流经多匝绕组所产生的磁场HO与初级回路电流所产生的磁场HIN相反；因此，原有磁场得到补偿，使得霍尔器件的输出电压UH逐渐减小。当IO乘以匝数时，N2IO产生的磁场等于原边N1IIN产生的磁场，IO不再增加，此时霍尔器件实现零磁通检测功能。建立这种平衡的时间在1 s 以内。这是一个动态平衡过程，即初级回路电流IIN的任何变化都会破坏这种平衡磁场。一旦磁场失去平衡，霍尔元件就会有信号输出。放大后，相应的电流立即流过次级线圈进行补偿。因此，从宏观上看，任何时刻副边补偿电流的安匝数都等于原边电流的安匝数，即N1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2/N1 （IIN为被测电流，即在磁芯初级绕组中的电流，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）绕线）。由原、副边匝数可知，只要测量补偿线圈的电流IO，即可得知原边电流IIN。如果原边是穿线磁芯类型，则N1=1且IIN=N2IO。相同的原理可用于电压测量。只需在初级线圈回路中串联一个电阻R1，即可将初级电流IIN转换为被测电压UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO/N1，RIN为初级绕组的内阻（通常很小，可以忽略）。对于特高压交流电压的测量，需要首先通过隔离变压器降压，测量降压电压，然后将测量数据乘以降压倍数，得到测量电压。该测量输出信号采用电流IO 的形式。如果在霍尔电流传感器的输出电路与电源零点之间串接一个适当的电阻R0，并在该电阻上取电压，则形成电压形式的输出。输出电压通过电压调整电路、线性放大电路、不等补偿电路、射极跟随器等得到需要的电压，便于测量和显示。

3.2 功率、功率因数、频率等电参数测量

从正弦交流有功功率P=UIcos的定义可知，只要准确测量U、I以及电流与电压之间的相位差，就可以计算出P和cos。传统的电磁电压和电流互感器用于测量。由于变压器的非理想性，除了变比误差外，最重要的是存在较大的相位误差，使得测量的值不能真实。反映负载的性质。如果采用霍尔电压、电流传感器和真有效值转换器（如AD637），可以大大提高功率和功率因数的测量精度。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，从而克服了具有特定额定频率的电磁变压器的缺点。真有效值转换器可以将正弦波或任意波的交流量转换为直流量。输出直流量的大小与交流量的有效值成正比，转换精度高，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和霍尔电压传感器隔离转换后，得到相应的电压信号，再经真有效值转换器（DC不需要换算），其大小与交流电的有效值成正比。直流（或转换后的直流）电压经过A/D转换后送至单片机，采集U、I的大小。

图4

另外，传感器次级侧输出的电信号U1和U2分别经过零电平比较器1和2。当信号由负变正并通过零点时，产生脉冲加到门控电路的输入端。假设U1领先于U2，则前者作为开仓信号，后者作为平仓信号。栅极控制电路产生矩形脉冲，其脉冲宽度对应于两个信号之间的相位差。该脉冲被发送到微控制器的定时器/计数器T1端口。微控制器测量两个相邻矩形脉冲前沿之间的时间间隔t，即两个相邻矩形脉冲前沿之间的时间间隔t。测量信号的周期Tx（频率fx=1/Tx）。另一个通道送至与门电路，计数与门打开。在此期间，时标信号TS通过与门到达单片机的定时器/计数器TO端口进行计数。设计值为N，则U1和U2之间的相位差为=TS/TxN360。由单片机计算出功率因数cos，进一步计算出有功功率P=UIcos，并将测量的参数U、I、P、cos、x等送至显示电路进行显示。如果要测量三相电路的总功率，请分别测量各相的功率，然后将三相功率相加。此外，系统还可以测量无功功率、视在功率等电气参数。

4 Ankeri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，转换后的信号可以直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集设备采集接受。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。适用于电流监测和电池应用、逆变电源和太阳能管理系统、直流电池板和直流电机驱动、电镀、焊接应用、变频器、UPS伺服控制等系统中的电流信号采集和反馈控制。

4.2 产品选型

4.2.1 开放式开环霍尔电流传感器

表1

4.2.2 闭环开环霍尔电流传感器

表2

4.2.3 闭环霍尔电流传感器

4.2.4 直流漏电流传感器

5结论