霍尔传感器在测量系统中的应用

发布时间:2022-10-06 01:38:59 来源:u赢电竞下载链接 作者:u赢电竞下载链接首页

  根据霍尔元件的工作原理,设计出利用霍尔元件在测量系统中的应用,根据霍尔元件传感器设计原理和性能指标,设计出所要利用的霍尔元件的材料、尺寸,预测其能达到的效果;确定产生使霍尔元件工作的测试系统,并指出霍尔元件可能产生的误差及所进行补偿措施。

  传感器传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一概念包含下面四个方面的含义:

  ③它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等等,这种量可以是气、光、电量,但主要是电量。

  传感器的功用是一感二传,即感受被测信息,并传送出去。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。如图1-1所示

  实际上,有些传感器很简单,有些则较复杂,也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件组成,它感受被测量时直接输出电量,如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成,没有转换电路,如压电式加速度传感器,其中质量块是敏感元件,压电片是转换元件。有些传感器转换元件不只一个,要经过若干次转换。

  由于传感器空间限制风其他原因,转换电路常装入电箱中。然而,因为不少传感器要在通过转换电路之后才能输出电量信号,从而决定了转换电路是传感器的组成部分之一。

  集成霍尔传感器分为线性型、开关型和锁键型等多种,其主要元件均是利用霍尔效应原理制成的.所谓霍尔效应,指的是这样一种物理现象:如果把通有电流I的导体放在垂直于它的磁场中,则在导体的两侧P1、P2会产生一电势差UH,它与电流I及磁感应强度B成正比,与导体厚度d成反比,即:UH=K(IB/d),式中K为霍尔系数.霍尔系数越大,表明霍尔效应越显著。人们常利用某些半导体材料(如锗、锑化铟)显著的霍尔效应来制成直流和低频磁场/电压变换器。

  由稳压器、霍尔电势发生器H和信号放大器组成.传感器的输出电压随外加磁场B的垂直分量大小成线性比例变化,可广泛应用于位置、厚度、重量、速度及电流等检测或控制。

  在磁场作用下,通有电流的金属片上产生一横向电位差,这个电压和磁场及控制电流成正比:VH=K╳|H╳IC|。式中VH为霍尔电压,H为磁场,IC为控制电流,K为霍尔系数。在半导体中霍尔效应比金属中显著,故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。用霍尔器件,可以进行非接触式电流测量,众所周知,当电流通过一根长的直导线时,在导线周围产生磁场,磁场的大小与流过导线的电流成正比,这一磁场可以通过软磁材料来聚集,然后用霍尔器件进行检测,由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系,因此可利用霍尔器件测得的讯号大小,直接反应出电流的大小,即:I∞B∞VH。其中I为通过导线的电流,B为导线通电流后产生的磁场,VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时,可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。

  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,并在导体两端形成一个稳定的电动势UH,这就是霍尔电动势(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。

  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,就可求出另一个,因而任何可转换成B或J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。电参量的测量就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,就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=KICB可知:若IC为直流,产生磁场B的电流IO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极性随之改变。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。

  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。

  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*,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,输人到功率放大器中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,最后当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,这时霍尔器件就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,就有信号输出,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IO。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,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,就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。

  由正弦交流电有功功率的定义P=UIcosψ可知,只要准确测量出U,I及电流与电压相位差ψ,就可算出P与cosψ。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,这就使测得的ψ值不能真实地反映负载的性质。若采用霍尔电压、电流传感器及线)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,这就采集到了U,I的大小。

  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△ψ=Ts/TxN×360°。经单片机计算出功率因数cosψ,进一步计算出有功功率P=UIcosψ,并将测得参数U,I,P,cosψ,ψx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。

  基于霍尔传感器的电参量检测系统具有很好的线性度、精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%~O.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精确检测的目的,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。

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