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在自動(dòng)測控系統中，常需要測量和顯示有關(guān)電參量。目前大多數測量系統仍采用變壓器式電壓、電流互感器，由于互感器的非理想性，使得變比和相位測量都存在較大的誤差，常需要采用硬件或軟件的方法補償，從而增加了系統的復雜性。采用霍爾檢測技術(shù)，可以克服互感器這些缺點(diǎn)，能測量從直流到上百千赫茲的各種形狀的交流信號，并且達到原副邊不失真傳遞，同時(shí)又能實(shí)現主電路回路和電子控制電路的隔離，霍爾傳感器的輸出可直接與單片機接口。因此霍爾傳感器已廣泛應用于微機測控系統及智能儀表中，是替代互感器的新一代產(chǎn)品。在此提出了利用霍爾傳感器對電參量特別是對高電壓、大電流的參數的測量。 1 測量原理 1．1 霍爾效應原理 如圖1所示，一個(gè)N型半導體薄片，長(cháng)度為L(cháng)，寬度為S，厚度為d，在垂直于該半導體薄片平面的方向上，施加磁感應強度為B的磁場(chǎng)，若在長(cháng)度方向通以電流Ic則運動(dòng)電荷受到洛倫茲力的作用，正負電荷將分別沿垂直于磁場(chǎng)和電流的方向向導體兩端移動(dòng)，并*在導體兩端形成一個(gè)穩定的電動(dòng)勢UH，這就是霍爾電動(dòng)勢(或稱(chēng)之為霍爾電壓)，這種現象稱(chēng)為霍爾效應�；魻栯妷旱拇笮H=RIB／d=KHICB，其中R為霍爾常數；KH為霍爾元件的乘積靈敏度。 1．2 用霍爾傳感器測量電參量的原理 由霍爾電壓公式可知：對于一個(gè)成型的霍爾傳感器，乘積靈敏度KH是一恒定值，則UH∝ICB，只要通過(guò)測量電路測出UH的大小，在B和IC兩個(gè)參數中，已知一個(gè)，就可求出另一個(gè)，因而任何可轉換成B或J的未知量均可利用霍爾元件來(lái)測量，任何轉換成B和I乘積的未知量亦可進(jìn)行測量。電參量的測量就是根據這一原理實(shí)現的。若控制電流IC為常數，磁感應強度B與被測電流成正比，就可以做成霍爾電流傳感器測電流，若磁感應強度B為常數，IC與被測電壓成正比，可制成電壓傳感器測電壓，利用霍爾電壓、電流傳感器可測交流電的功率因數、電功率和交流電的頻率。 由UH=KICB可知：若IC為直流，產(chǎn)生磁場(chǎng)B的電流IO為交流時(shí)，UH為交流；若IO亦為直流，則輸出也為直流。當IC為交流，IO亦為直流時(shí)，輸出與IC同頻率的交流且其幅值與被測直流IO大小成正比，改變被測電流IO的方向，輸出電壓UH極性隨之改變。故利用霍爾傳感器，既可對直流量進(jìn)行測量，亦可對交流量進(jìn)行測量。 2 系統結構簡(jiǎn)圖 檢測系統構成如圖2，被測量經(jīng)霍爾傳感器轉換為電壓信號，經(jīng)信號調理電路和多路轉換開(kāi)關(guān)選擇，通過(guò)A／D轉換器送給單片機，單片機采用89C51，是該系統的主控器，鍵盤(pán)選用2×4鍵盤(pán)，用于選擇被測量的種類(lèi)，采用數碼管或液晶顯示被測量的大小。 3 電參量的測量方法 3．1 電壓、電流信號的測量 電流的測量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器(亦稱(chēng)為零磁通式霍爾傳感器)如圖3所示。 當被測電流IIN流過(guò)原邊回路時(shí)，在導線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)HIN這個(gè)磁場(chǎng)被聚磁環(huán)*，并感應給霍爾器件，使其有一個(gè)信號UH輸出；這一信號經(jīng)放大器A放大，輸人到功率放大器中Q1，Q2中，這時(shí)相應的功率管導通，從而獲得一個(gè)補償電流IO；由于此電流通過(guò)多匝繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HO與原邊回路電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HIN相反；因而補償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出電壓UH逐漸減小，最后當IO與匝數相乘N2IO所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原邊N1IIN所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，IO不再增加，這時(shí)霍爾器件就達到零磁通檢測作用。這一平衡所建立的時(shí)間在1 μs之內，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，即原邊回路電流IIN的任何變化均會(huì )破壞這一平衡的磁場(chǎng)，一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾元件就有信號輸出，經(jīng)過(guò)放大后，立即有相應的電流流過(guò)副邊線(xiàn)圈進(jìn)行補償。因此從宏觀(guān)上看副邊補償電流的安匝數在任何時(shí)間都與原邊電流的安匝數保持相等，即N1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2／N1(IIN為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數；IO為補償繞組中的電流；N2為補償繞組的匝數)。由原、副邊匝數可知，只要測得補償線(xiàn)圈的電流IO，即可知道原邊電流IIN，如原邊為導線(xiàn)穿心式，則N1=l，IIN=N2IO。利用同樣的原理可進(jìn)行電壓測量，只需在原邊線(xiàn)圈回路中串聯(lián)一個(gè)電阻R1，將原邊電流IIN轉換成被測電壓UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO／N1，RIN為原邊繞阻的內阻(一般很小不計)。對特高壓交流電壓的測量，需先經(jīng)隔離變壓器降壓后，對降壓后的電壓進(jìn)行測量，然后對測量數據乘以降壓倍數，即可得被測電壓的大小。該測量輸出信號為電流形式IO。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點(diǎn)之間串接恰當的電阻R0，并在該電阻上取電壓，就構成了電壓形式的輸出。輸出電壓經(jīng)電壓調整電路、線(xiàn)性放大電路、不等位補償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓，便于測量與顯示。 3．2 功率及功率因數、頻率等電參數的測量 由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知，只要準確測量出U，I及電流與電壓相位差ψ，就可算出P與cosψ。采用傳統的電磁式電壓、電流互感器進(jìn)行測量，由于互感器的非理想性，除存在變比誤差外，更主要的是存在較大的相位誤差，這就使測得的ψ值不能真實(shí)地反映負載的性質(zhì)。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉換器(如AD637)等，可以使功率及功率因數的測量精度大大提高。此外，霍爾傳感器還可以測量從直流到100 kHz的任意波形的交流量，從而克服了電磁式互感器有特定的額定頻率的弊端。真有效值轉換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉換為直流量，輸出直流的大小正比于交流量的有效值，且轉換精度高，因而測量相對準確。 測量原理如圖4所示，交直流電壓、電流經(jīng)霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離、轉換后，得到與之對應的電壓信號，再經(jīng)真有效值轉換器轉換為直流(直流電不需轉換)，其大小正比于交流電的有效值，直流(或轉換后的直流)電壓經(jīng)A／D變換后送入單片機，這就采集到了U，I的大小。 另外將傳感器副邊輸出的電信號U1，U2分別經(jīng)過(guò)零電平比較器1和2，當信號由負變正，通過(guò)零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，加到門(mén)控電路輸入端。設U1超前于U2，則前者作開(kāi)啟信號，后者作關(guān)閉信號。門(mén)控電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度對應于兩個(gè)信號相位差的矩形脈沖，該脈沖一路送單片機的定時(shí)／計數器T1口，單片機測出相鄰兩個(gè)矩形脈沖前沿之間的時(shí)間間隔t，即為被測信號的周期Tx(頻率fx=1／Tx)。另一路送至與門(mén)電路，打開(kāi)計數與門(mén)，在此期間，時(shí)標信號Ts經(jīng)由與門(mén)至單片機的定時(shí)／計數器TO口計數，設計數值為N，則U1與U2相位差為△ψ=Ts／TxN×360°。經(jīng)單片機計算出功率因數cosψ，進(jìn)一步計算出有功功率P＝UIcosψ，并將測得參數U，I，P，cosψ，ψx等送顯示電路顯示。如要測三相電路的總功率，則分別測得每一相的功率，然后三相功率相加即可。此外，該系統也可測量無(wú)功功率和視在功率等電參數。 4 結 語(yǔ) 基于霍爾傳感器的電參量檢測系統具有很好的線(xiàn)性度、精確度和良好的反應時(shí)間。溫度漂移小，霍爾元件在-40～+45℃的溫度范圍內，霍爾電壓的溫度系數僅為0．03％～O．04％。這里所介紹的測量方法達到了對電參量進(jìn)行高精度的隔離傳輸和精確檢測的目的，特別適合高電壓、大電流電參量的測量。這為研制一種新的電參量測量?jì)x器打下了一個(gè)良好的基礎，在工程上具有一定的應用價(jià)值。不足之處，霍爾元件存在不等位的電勢的影響，需加補償電路修正。 |
