基于霍爾傳感器電參量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中，常需要測(cè)量和顯示有關(guān)電參量。目前大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)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(cè)量都存在較大的誤差，常需要采用硬件或軟件的方法補(bǔ)償，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。采用霍爾檢測(cè)技術(shù)，可以克服互感器這些缺點(diǎn)，能測(cè)量從直流到上百千赫茲的各種形狀的交流信號(hào)，并且達(dá)到原副邊不失真?zhèn)鬟f，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)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(jī)接口。因此霍爾傳感器已廣泛應(yīng)用于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)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(duì)電參量特別是對(duì)高電壓、大電流的參數(shù)的測(cè)量。

l 測(cè)量原理
1．1 霍爾效應(yīng)原理
    如圖1所示，一個(gè)N型半導(dǎo)體薄片，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為S，厚度為d，在垂直于該半導(dǎo)體薄片平面的方向上，施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，若在長(zhǎng)度方向通以電流Ic則運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力的作用，正負(fù)電荷將分別沿垂直于磁場(chǎng)和電流的方向向?qū)w兩端移動(dòng)，并聚集在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)UH，這就是霍爾電動(dòng)勢(shì)(或稱之為霍爾電壓)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妷旱拇笮H=RIB／d=KHICB，其中R為霍爾常數(shù)；KH為霍爾元件的乘積靈敏度。

1．2 用霍爾傳感器測(cè)量電參量的原理
    由霍爾電壓公式可知：對(duì)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(cè)量電路測(cè)出UH的大小，在B和IC兩個(gè)參數(shù)中，已知一個(gè)，就可求出另一個(gè)，因而任何可轉(zhuǎn)換成B或J的未知量均可利用霍爾元件來(lái)測(cè)量，任何轉(zhuǎn)換成B和I乘積的未知量亦可進(jìn)行測(cè)量。電參量的測(cè)量就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)的。若控制電流IC為常數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與被測(cè)電流成正比，就可以做成霍爾電流傳感器測(cè)電流，若磁感應(yīng)強(qiáng)度B為常數(shù)，IC與被測(cè)電壓成正比，可制成電壓傳感器測(cè)電壓，利用霍爾電壓、電流傳感器可測(cè)交流電的功率因數(shù)、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(dāng)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(cè)直流IO大小成正比，改變被測(cè)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(duì)直流量進(jìn)行測(cè)量，亦可對(duì)交流量進(jìn)行測(cè)量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
    檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2，被測(cè)量經(jīng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路和多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器送給單片機(jī)，單片機(jī)采用89C51，是該系統(tǒng)的主控器，鍵盤選用2×4鍵盤，用于選擇被測(cè)量的種類，采用數(shù)碼管或液晶顯示被測(cè)量的大小。

3 電參量的測(cè)量方法
3．1 電壓、電流信號(hào)的測(cè)量
    電流的測(cè)量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器(亦稱為零磁通式霍爾傳感器)如圖3所示。

當(dāng)被測(cè)電流IIN流過(guò)原邊回路時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)HIN這個(gè)磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集，并感應(yīng)給霍爾器件，使其有一個(gè)信號(hào)UH輸出；這一信號(hào)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(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)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(bǔ)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(dāng)IO與匝數(shù)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(dá)到零磁通檢測(cè)作用。這一平衡所建立的時(shí)間在1 μs之內(nèi)，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(hào)輸出，經(jīng)過(guò)放大后，立即有相應(yīng)的電流流過(guò)副邊線圈進(jìn)行補(bǔ)償。因此從宏觀上看副邊補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時(shí)間都與原邊電流的安匝數(shù)保持相等，即N1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2／N1(IIN為被測(cè)電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1為初級(jí)繞組的匝數(shù)；IO為補(bǔ)償繞組中的電流；N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù))。由原、副邊匝數(shù)可知，只要測(cè)得補(bǔ)償線圈的電流IO，即可知道原邊電流IIN，如原邊為導(dǎo)線穿心式，則N1=l，IIN=N2IO。利用同樣的原理可進(jìn)行電壓測(cè)量，只需在原邊線圈回路中串聯(lián)一個(gè)電阻R1，將原邊電流IIN轉(zhuǎn)換成被測(cè)電壓UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO／N1，RIN為原邊繞阻的內(nèi)阻(一般很小不計(jì))。對(duì)特高壓交流電壓的測(cè)量，需先經(jīng)隔離變壓器降壓后，對(duì)降壓后的電壓進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)乘以降壓倍數(shù)，即可得被測(cè)電壓的大小。該測(cè)量輸出信號(hào)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(dāng)?shù)碾娮鑂0，并在該電阻上取電壓，就構(gòu)成了電壓形式的輸出。輸出電壓經(jīng)電壓調(diào)整電路、線性放大電路、不等位補(bǔ)償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓，便于測(cè)量與顯示。
3．2 功率及功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)的測(cè)量
    由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知，只要準(zhǔn)確測(cè)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(tǒng)的電磁式電壓、電流互感器進(jìn)行測(cè)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(cè)得的ψ值不能真實(shí)地反映負(fù)載的性質(zhì)。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉(zhuǎn)換器(如AD637)等，可以使功率及功率因數(shù)的測(cè)量精度大大提高。此外，霍爾傳感器還可以測(cè)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(zhuǎn)換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉(zhuǎn)換為直流量，輸出直流的大小正比于交流量的有效值，且轉(zhuǎn)換精度高，因而測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確。
    測(cè)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(zhuǎn)換后，得到與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，再經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流(直流電不需轉(zhuǎn)換)，其大小正比于交流電的有效值，直流(或轉(zhuǎn)換后的直流)電壓經(jīng)A／D變換后送入單片機(jī)，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(hào)U1，U2分別經(jīng)過(guò)零電平比較器1和2，當(dāng)信號(hào)由負(fù)變正，通過(guò)零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，加到門控電路輸入端。設(shè)U1超前于U2，則前者作開(kāi)啟信號(hào)，后者作關(guān)閉信號(hào)。門控電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的矩形脈沖，該脈沖一路送單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1口，單片機(jī)測(cè)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(cè)信號(hào)的周期Tx(頻率fx=1／Tx)。另一路送至與門電路，打開(kāi)計(jì)數(shù)與門，在此期間，時(shí)標(biāo)信號(hào)Ts經(jīng)由與門至單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器TO口計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則U1與U2相位差為△ψ=Ts／TxN×360°。經(jīng)單片機(jī)計(jì)算出功率因數(shù)cosψ，進(jìn)一步計(jì)算出有功功率P＝UIcosψ，并將測(cè)得參數(shù)U，I，P，cosψ，ψx等送顯示電路顯示。如要測(cè)三相電路的總功率，則分別測(cè)得每一相的功率，然后三相功率相加即可。此外，該系統(tǒng)也可測(cè)量無(wú)功功率和視在功率等電參數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)
    基于霍爾傳感器的電參量檢測(cè)系統(tǒng)具有很好的線性度、精確度和良好的反應(yīng)時(shí)間。溫度漂移小，霍爾元件在-40～+45℃的溫度范圍內(nèi)，霍爾電壓的溫度系數(shù)僅為0．03％～O．04％。這里所介紹的測(cè)量方法達(dá)到了對(duì)電參量進(jìn)行高精度的隔離傳輸和精確檢測(cè)的目的，特別適合高電壓、大電流電參量的測(cè)量。這為研制一種新的電參量測(cè)量?jī)x器打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。不足之處，霍爾元件存在不等位的電勢(shì)的影響，需加補(bǔ)償電路修正。