淺談霍爾傳感器電參量測量系統(tǒng)的設(shè)計

在自動測控系統(tǒng)中，常需要測量和顯示有關(guān)電參量。目前大多數(shù)測量系統(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。

采用霍爾檢測技術(shù)，可以克服互感器這些缺點，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(dá)到原副邊不失真?zhèn)鬟f，同時又能實現(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電參量特別是對高電壓、大電流的參數(shù)的測量。

1 測量原理

1．1 霍爾效應(yīng)原理

如圖1所示，一個N型半導(dǎo)體薄片，長度為L，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，若在長度方向通以電流Ic則運動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和電流的方向向?qū)w兩端移動，并*在導(dǎo)體兩端形成一個穩(wěn)定的電動勢UH，這就是霍爾電動勢（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 用霍爾傳感器測量電參量的原理

由霍爾電壓公式可知：對于一個成型的霍爾傳感器，乘積靈敏度KH是一恒定值，則UH∝ICB，只要通過測量電路測出UH的大小，在B和IC兩個參數(shù)中，已知一個，就可求出另一個，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測量，任何轉(zhuǎn)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(jù)這一原理實現(xiàn)的。若控制電流IC為常數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度B為常數(shù)，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(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B的電流IO為交流時，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，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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖2，被測量經(jīng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇，通過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，用于選擇被測量的種類，采用數(shù)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（亦稱為零磁通式霍爾傳感器）如圖3所示。

當(dāng)被測電流IIN流過原邊回路時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場HIN這個磁場被聚磁環(huán)*，并感應(yīng)給霍爾器件，使其有一個信號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，這時相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一個補(bǔ)償電流IO；由于此電流通過多匝繞組所產(chǎn)生的磁場HO與原邊回路電流所產(chǎn)生的磁場HIN相反；

因而補(bǔ)償了原來的磁場，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)生的磁場與原邊N1IIN所產(chǎn)生的磁場相等時，IO不再增加，這時霍爾器件就達(dá)到零磁通檢測作用。這一平衡所建立的時間在1 μs之內(nèi)，這是一個動態(tài)平衡過程，即原邊回路電流IIN的任何變化均會破壞這一平衡的磁場，一旦磁場失去平衡，霍爾元件就有信號輸出，經(jīng)過放大后，立即有相應(yīng)的電流流過副邊線圈進(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為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數(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)行電壓測量，只需在原邊線圈回路中串聯(lián)一個電阻R1，將原邊電流IIN轉(zhuǎn)換成被測電壓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）。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(shù)據(jù)乘以降壓倍數(shù)，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，便于測量與顯示。

3．2 功率及功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)的測量

由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知，只要準(zhǔn)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(tǒng)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(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，因而測量相對準(zhǔn)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(zhuǎn)換后，得到與之對應(yīng)的電壓信號，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U1，U2分別經(jīng)過零電平比較器1和2，當(dāng)信號由負(fù)變正，通過零點時產(chǎn)生一個脈沖，加到門控電路輸入端。設(shè)U1超前于U2，則前者作開啟信號，后者作關(guān)閉信號。門控電路產(chǎn)生一個脈沖寬度對應(yīng)于兩個信號相位差的矩形脈沖，該脈沖一路送單片機(jī)的定時／計數(shù)器T1口，單片機(jī)測出相鄰兩個矩形脈沖前沿之間的時間間隔t，即為被測信號的周期Tx（頻率fx=1／Tx）。

另一路送至與門電路，打開計數(shù)與門，在此期間，時標(biāo)信號Ts經(jīng)由與門至單片機(jī)的定時／計數(shù)器TO口計數(shù)，設(shè)計數(shù)值為N，則U1與U2相位差為△ψ=Ts／TxN×360°。經(jīng)單片機(jī)計算出功率因數(shù)cosψ，進(jìn)一步計算出有功功率P＝UIcosψ，并將測得參數(shù)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(tǒng)也可測量無功功率和視在功率等電參數(shù)。

4 結(jié) 語

基于霍爾傳感器的電參量檢測系統(tǒng)具有很好的線性度、精確度和良好的反應(yīng)時間。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％。這里所介紹的測量方法達(dá)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儀器打下了一個良好的基礎(chǔ)，在工程上具有一定的應(yīng)用價值。不足之處，霍爾元件存在不等位的電勢的影響，需加補(bǔ)償電路修正。

編輯：jq