基于霍爾傳感器電參量測量系統的設計

發(fā)布時(shí)間:2010-8-13 15:32    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: 測量系統 , 電參量
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。
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