摘要(yào)：采用霍爾(ěr)傳(chuán)感(gǎn)器設計一種以(yǐ)AT89C51單(dān)片機(jī)為核(hé)心(xīn)的電參(cān)量(liáng)檢測係(xì)統。介紹(shào)應(yīng)用(yòng)霍爾效(xiào)應的磁平衡原理(lǐ)實現對電(diàn)流，電壓的準確測量,在此(cǐ)基礎(chǔ)上(shàng),利用真(zhēn)有(yǒu)效值(zhí)變(biàn)換(huàn)器，多(duō)路(lù)轉換開關(guān)及相位差測量電路(lù)等實(shí)現對交流電功(gōng)率(shuài)因素(sù)，有功功率，頻率等參數(shù)的(dí)測(cè)量。研究結果表(biǎo)明該方(fāng)法與傳(chuán)統(tǒng)基(jī)於(yú)電磁原(yuán)理的互感器(qì)測(cè)量方(fāng)法(fǎ)相(xiāng)比(bǐ),具(jù)有綫(xiàn)性度好,準(zhǔn)確度(dù)高,電(diàn)氣高度隔(gé)離(lí)。其電(diàn)氣(qì)隔(gé)離性與光耦(ǒu)相比(bǐ),溫度(dù)漂(piāo)移(yí)小(xiǎo),故其隔離(lí)傳(chuán)送精(jīng)度(dù)遠遠於(yú)光(guāng)耦。這(zhè)為研製一種新(xīn)型(xíng)多電參量(liáng)測量(liáng)打(dǎ)下了良好(hǎo)的基礎。

關(guān)鍵詞：霍(huò)爾傳感器;電(diàn)參量;檢測;單片機(jī)

0引言

在(zài)自(zì)動測控係統(tǒng)中(zhōng),常需(xū)要測(cè)量和顯示(shì)有(yǒu)關(guān)電(diàn)參(cān)量(liáng)。目(mù)大多數測量(liáng)係(xì)統(tǒng)仍采用變(biàn)壓器(qì)式(shì)電壓，電(diàn)流互感器(qì),由於(yú)互感(gǎn)器的非理想性,使得(dé)變(biàn)比和相位測(cè)量都(dū)存在較(jiào)大(dà)的(dí)誤差,常需要采(cǎi)用硬(yìng)件(jiàn)或(huò)軟(ruǎn)件(jiàn)的方(fāng)法補償(cháng),從而(ér)增加了係(xì)統的復雜(zá)性。采用霍(huò)爾(ěr)檢測技術(shù),可(kě)以(yǐ)克服(fú)互感器這(zhè)些(xiē)缺點,能(néng)測(cè)量從(cóng)直流到上百千(qiān)赫(hè)茲的各種(zhǒng)形(xíng)狀的(dí)交流信號,並且達到原(yuán)副邊不(bù)失(shī)真傳遞,同(tóng)時又能實現(xiàn)主(zhǔ)電(diàn)路回路和(hé)電(diàn)子控(kòng)製電(diàn)路的(dí)隔(gé)離,霍爾傳感器(qì)的輸出可直(zhí)接(jiē)與(yǔ)單片(piàn)機接口。因(yīn)此(cǐ)霍爾傳感器已廣(guǎng)泛(fàn)應用於微機測(cè)控(kòng)係統及(jí)智能(néng)儀(yí)表(biǎo)中,是(shì)替代(dài)互(hù)感(gǎn)器(qì)的(dí)新(xīn)一代(dài)產品。在此提出(chū)了利(lì)用霍(huò)爾傳感器對電(diàn)參量特別是對(duì)高電壓(yā)，大電(diàn)流的(dí)參數(shù)的(dí)測(cè)量。

1測量(liáng)原(yuán)理

1.1霍爾(ěr)效(xiào)應原理(lǐ)

如(rú)圖(tú)1所(suǒ)示(shì),一(yī)個N型半導體(tǐ)薄(báo)片,長(cháng)度為L,寬(kuān)度為(wéi)S,厚度為(wéi)d,在垂(chuí)直於該半導體(tǐ)薄片(piàn)平麵(miàn)的方(fāng)向(xiàng)上,施加磁感(gǎn)應(yīng)強(qiáng)度為(wéi)B的(dí)磁(cí)場(cháng),若(ruò)在長度(dù)方(fāng)向(xiàng)通以(yǐ)電流IC,則運動電(diàn)荷受(shòu)到洛倫(lún)茲力(lì)的(dí)作用(yòng),正負(fù)電(diàn)荷將分(fēn)別沿垂直於磁場和電流的方向(xiàng)向導(dǎo)體兩(liǎng)端(duān)移動,並(bìng)聚集(jí)在導體兩(liǎng)端形(xíng)成一(yī)個穩定的電動(dòng)勢(shì)UH,這就是(shì)霍爾(ěr)電動勢(shì)(或稱之(zhī)為霍(huò)爾(ěr)電(diàn)壓(yā)),這種現象(xiàng)稱為(wéi)霍爾效應(yīng)。霍(huò)爾(ěr)電壓的大(dà)小UH=RIB/d=KHICB,其中(zhōng)R為霍(huò)爾(ěr)常數(shù);KH為霍(huò)爾元(yuán)件的乘積靈敏(mǐn)度。

圖(tú)1霍爾(ěr)效應原理

1.2用(yòng)霍爾(ěr)傳(chuán)感器(qì)測量(liáng)電(diàn)參量(liáng)的原理(lǐ)

由霍爾(ěr)電(diàn)壓公(gōng)式可(kě)知:對於一(yī)個(gè)成型(xíng)的霍(huò)爾傳感器,乘積(jī)靈(líng)敏(mǐn)度KH是一恒(héng)定值,則(zé)UH∝ICB,隻要通過(guò)測量電路(lù)測出(chū)UH的(dí)大小,在(zài)B和IC兩個參數中,已知一個,就可(kě)求出(chū)另(lìng)一(yī)個,因而任(rèn)何可(kě)轉(zhuǎn)換(huàn)成B或I的未知量(liáng)均(jūn)可(kě)利(lì)用霍爾(ěr)元(yuán)件(jiàn)來測量,任何轉換成(chéng)B和(hé)I乘積(jī)的(dí)未知(zhī)量亦可(kě)進(jìn)行測(cè)量。電參量(liáng)的(dí)測量(liáng)就(jiù)是根(gēn)據這一原(yuán)理實(shí)現(xiàn)的(dí)。若(ruò)控製電流IC為(wéi)常數,磁感應強(qiáng)度(dù)B與被(bèi)測電(diàn)流(liú)成正比(bǐ),就可以(yǐ)做(zuò)成(chéng)霍(huò)爾電(diàn)流傳感器(qì)測(cè)電(diàn)流(liú),若磁感應強度(dù)B為(wéi)常(cháng)數(shù),IC與被(bèi)測(cè)電壓(yā)成正比(bǐ),可製成電(diàn)壓(yā)傳感(gǎn)器測(cè)電壓,利用(yòng)霍(huò)爾電(diàn)壓(yā)，電(diàn)流傳感(gǎn)器(qì)可測(cè)交(jiāo)流(liú)電的(dí)功率(shuài)因數，電功率(shuài)和交(jiāo)流電的頻(pín)率(shuài)。

由(yóu)UH=KHICB可知:若IC為(wéi)直(zhí)流,產生磁場B的電(diàn)流(liú)I為交(jiāo)流(liú)時(shí),UH為(wéi)交流(liú);若IO亦為直流,則(zé)輸(shū)出也(yě)為直流。當IC為(wéi)交流(liú),IO亦為直流時,輸出(chū)與IC同頻(pín)率(shuài)的交流(liú)且其幅(fú)值(zhí)與被(bèi)測直(zhí)流IO大(dà)小(xiǎo)成正比,改變被測電流(liú)IO的方向(xiàng),輸(shū)出電壓UH隨之改變。故利用霍(huò)爾傳感器(qì),既(jì)可(kě)對直流量進(jìn)行測量,亦(yì)可對交(jiāo)流量(liáng)進行測量。

2係(xì)統結構簡圖(tú)

檢測(cè)係統構(gòu)成如(rú)圖(tú)2,被測(cè)量(liáng)經霍爾傳(chuán)感器轉(zhuǎn)換為(wéi)電(diàn)壓信號(hào),經信號調理(lǐ)電路(lù)和(hé)多路轉換開(kāi)關選擇,通過A/D轉換器送給單片機(jī),單片(piàn)機采用89C51,是(shì)該係統的主控(kòng)器,鍵(jiàn)盤選用(yòng)2×4鍵(jiàn)盤,用於選(xuǎn)擇(zé)被測量的種類,采用數(shù)碼(mǎ)管(guǎn)或液(yè)晶顯示(shì)被測量的大(dà)小(xiǎo)。 

圖2檢測(cè)係(xì)統(tǒng)構成

3電參量(liáng)的(dí)測量方法

3.1電壓，電流信號的(dí)測量

電流(liú)的(dí)測量可采用磁(cí)平衡(héng)式霍(huò)爾(ěr)電(diàn)流傳(chuán)感器(qì)(亦(yì)稱為零磁(cí)通(tōng)式霍(huò)爾(ěr)傳感(gǎn)器)如圖3所(suǒ)示。

圖3磁平(píng)衡式(shì)霍爾電流(liú)傳感器

當(dāng)被測電流IIN流(liú)過(guò)原(yuán)邊回(huí)路(lù)時,在(zài)導(dǎo)綫周圍產(chǎn)生(shēng)磁(cí)場HIN,這個(gè)磁場被(bèi)聚(jù)磁(cí)環(huán)聚集(jí),並(bìng)感(gǎn)應(yīng)給(gěi)霍爾(ěr)器件,使其有一個(gè)信號(hào)UH輸出;這一(yī)信(xìn)號(hào)經(jīng)放(fàng)大(dà)器A放(fàng)大,輸(shū)入(rù)到功率(shuài)放大(dà)器中Q1,Q2中,這時相(xiāng)應的(dí)功(gōng)率(shuài)管導(dǎo)通(tōng),從(cóng)而獲得一(yī)個補(bǔ)償電流(liú)IO;由(yóu)於此電(diàn)流通過多(duō)匝(zā)繞組所(suǒ)產(chǎn)生的磁場HO與原邊(biān)回路電(diàn)流(liú)所產生的磁場HIN相反(fǎn);因(yīn)而(ér)補償了(liǎo)原來的磁場,使(shǐ)霍爾(ěr)器件(jiàn)的(dí)輸(shū)出電壓UH逐漸(jiàn)減小,當(dāng)IO與匝數(shù)相(xiāng)乘N2IO所產生的(dí)磁場與(yǔ)原邊N1IIN所產生的磁場(cháng)相等(děng)時(shí),IO不(bù)再增加(jiā),這時霍爾(ěr)器件就(jiù)達到(dào)零(líng)磁(cí)通(tōng)檢(jiǎn)測作用。這(zhè)一平衡(héng)所(suǒ)建立(lì)的時(shí)間(jiān)在1μs之(zhī)內,這是一(yī)個動態平(píng)衡過(guò)程,即(jí)原(yuán)邊回(huí)路(lù)電流IIN的(dí)任(rèn)何變(biàn)化均會(huì)破(pò)壞這一(yī)平衡的(dí)磁(cí)場(cháng),一旦(dàn)磁(cí)場(cháng)失(shī)去平衡(héng),霍爾(ěr)元件(jiàn)就(jiù)有信(xìn)號輸(shū)出,經過(guò)放大後,立即(jí)有(yǒu)相應的電流流(liú)過(guò)副邊(biān)綫(xiàn)圈進(jìn)行補(bǔ)償。因此從宏觀上看副邊補(bǔ)償(cháng)電流(liú)的安匝數在任(rèn)何時(shí)間都(dū)與(yǔ)原邊(biān)電(diàn)流(liú)的安(ān)匝數(shù)保(bǎo)持相(xiāng)等,即N1IIN=N2IO,所(suǒ)以(yǐ)IIN=N2I2/N1(IIN為(wéi)被(bèi)測電流(liú),即磁芯中(zhōng)初級繞(rào)組中的(dí)電流(liú),N1為(wéi)初(chū)級繞組的(dí)匝數;IO為(wéi)補償繞(rào)組(zǔ)中的(dí)電(diàn)流;N2為補(bǔ)償(cháng)繞組(zǔ)的(dí)匝數)。由原，副(fù)邊匝(zā)數(shù)可知(zhī),隻要測(cè)得補償(cháng)綫(xiàn)圈的電流IO,即可(kě)知道(dào)原邊電流IIN,如(rú)原邊為導綫穿心式,則(zé)N1=1,IIN=N2IO。利(lì)用(yòng)同樣的(dí)原理可進行電壓(yā)測(cè)量,隻需(xū)在原邊綫圈回路中串(chuàn)聯一個電阻R1,將原(yuán)邊(biān)電(diàn)流IIN轉(zhuǎn)換(huàn)成被測電壓(yā)UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO/N1,RIN為原邊繞(rào)阻(zǔ)的(dí)內阻(zǔ)(一般很(hěn)小(xiǎo)不(bù)計)。對(duì)特高(gāo)壓交流電壓的測(cè)量,需(xū)先經隔離(lí)變(biàn)壓(yā)器降(jiàng)壓(yā)後,對(duì)降壓(yā)後的(dí)電(diàn)壓(yā)進行測(cè)量,然(rán)後對(duì)測量(liáng)數據乘以降(jiàng)壓(yā)倍(bèi)數(shù),即可得被測(cè)電壓的大小。該測(cè)量(liáng)輸出(chū)信號為(wéi)電流形(xíng)式IO。若在霍爾電(diàn)流傳感(gǎn)器(qì)的(dí)輸(shū)出(chū)電路(lù)與電(diàn)源(yuán)零(líng)點之間(jiān)串(chuàn)接恰當的電(diàn)阻R0,並在該(gāi)電阻(zǔ)上取(qǔ)電壓,就構成(chéng)了電壓形式的(dí)輸出。輸出電壓經電壓調(tiáo)整電路，綫(xiàn)性放(fàng)大(dà)電路，不(bù)等(děng)位補(bǔ)償電路(lù)，射集跟(gēn)隨等獲得(dé)所(suǒ)需的電壓,便於測量與(yǔ)顯示(shì)。

3.2功(gōng)率(shuài)及(jí)功(gōng)率(shuài)因(yīn)數(shù)，頻率等電參數(shù)的測量

由正(zhèng)弦交(jiāo)流(liú)電有功(gōng)功率的(dí)定義P=UIcosФ可(kě)知,隻(zhī)要(yào)準(zhǔn)確(què)測量(liáng)出U,I及(jí)電流與(yǔ)電壓相(xiāng)位差Ф,就(jiù)可算(suàn)出P與(yǔ)cosФ。采(cǎi)用傳(chuán)統(tǒng)的(dí)電磁式(shì)電壓，電流(liú)互感器(qì)進行測(cè)量,由(yóu)於(yú)互感(gǎn)器(qì)的非(fēi)理(lǐ)想性,除存在變(biàn)比(bǐ)誤(wù)差外(wài),主(zhǔ)要(yào)的是存在(zài)較大的(dí)相(xiāng)位(wèi)誤(wù)差(chà),這就(jiù)使測得(dé)的(dí)Ф值不(bù)能(néng)真實地(dì)反映負載(zǎi)的性(xìng)質。若(ruò)采用霍(huò)爾電壓(yā)，電流傳感(gǎn)器(qì)及(jí)真有效(xiào)值轉換器(如(rú)AD637)等,可(kě)以使功率及(jí)功率(shuài)因數(shù)的(dí)測(cè)量(liáng)精(jīng)度(dù)大(dà)大提(tí)高。此外,霍爾(ěr)傳感(gǎn)器(qì)還可以測(cè)量(liáng)從直流到100kHz的(dí)任意(yì)波形的(dí)交流量,從(cóng)而克服了(liǎo)電(diàn)磁式互(hù)感器有特定的(dí)額定(dìng)頻率(shuài)的弊端。真有效值(zhí)轉換(huàn)器(qì)可以(yǐ)將(jiāng)正弦波形或任(rèn)意波形的(dí)交流量轉(zhuǎn)換(huàn)為直(zhí)流量(liáng),輸(shū)出直流(liú)的大(dà)小正比於(yú)交(jiāo)流(liú)量的有效值(zhí),且轉換精度高(gāo),因而(ér)測量相對準確。

測量原理如(rú)圖(tú)4所示,交直流電壓，電流經霍(huò)爾電流傳感器(qì)，霍爾電(diàn)壓傳感器隔離，轉(zhuǎn)換後(hòu),得(dé)到(dào)與之對應的(dí)電(diàn)壓(yā)信號,再經(jīng)真有效值轉換(huàn)器轉換(huàn)為(wéi)直流(liú)(直流電(diàn)不(bù)需轉換),其大小正比(bǐ)於(yú)交流電的(dí)有(yǒu)效值,直流(liú)(或轉換後的直(zhí)流(liú))電壓(yā)經(jīng)A/D變換後送(sòng)入單片機(jī),這就(jiù)采集(jí)到(dào)了U,I的大小(xiǎo)。

圖(tú)4

另(lìng)外(wài)將傳感(gǎn)器(qì)副邊輸出(chū)的電信號U1,U2分別(bié)經過零(líng)電(diàn)平比(bǐ)較器1和(hé)2,當(dāng)信號由(yóu)負變正(zhèng),通(tōng)過(guò)零點時(shí)產生一個(gè)脈(mài)衝(chōng),加到門(mén)控電路輸(shū)入(rù)端(duān)。設U1超於U2,則(zé)者作開啟(qǐ)信(xìn)號,後者(zhě)作關(guān)閉信號。門控電路產生一(yī)個脈(mài)衝寬度對(duì)應於(yú)兩個(gè)信號(hào)相(xiāng)位差的矩(jǔ)形脈(mài)衝,該脈衝一(yī)路(lù)送(sòng)單片(piàn)機的定(dìng)時(shí)/計數(shù)器(qì)T1口,單(dān)片(piàn)機測出(chū)相鄰兩(liǎng)個矩(jǔ)形脈衝沿(yán)之(zhī)間的時間(jiān)間隔t,即(jí)為(wéi)被(bèi)測信號(hào)的周期Tx(頻率fx=1/Tx)。另一路(lù)送至(zhì)與門電(diàn)路(lù),打開計數(shù)與(yǔ)門(mén),在此(cǐ)期間(jiān),時標信號TS經(jīng)由(yóu)與門至單片機的定時(shí)/計(jì)數器TO口(kǒu)計數(shù),設計(jì)數(shù)值為N,則(zé)U1與(yǔ)U2相位差為(wéi)ΔФ=TS/TxN×360°。經單片(piàn)機計(jì)算出功率(shuài)因數cosΦ,進(jìn)一步計算出有功功率P=UIcosФ,並(bìng)將測得(dé)參數U,I,P,cosФ,φx等(děng)送顯示電(diàn)路顯(xiǎn)示。如要(yào)測三(sān)相電(diàn)路(lù)的(dí)總(zǒng)功(gōng)率(shuài),則(zé)分(fēn)別測得(dé)每(měi)一(yī)相(xiāng)的功率,然後(hòu)三(sān)相功率相加(jiā)即可。此外(wài),該(gāi)係統(tǒng)也可(kě)測量無功(gōng)功率(shuài)和視在功率等(děng)電參(cān)數。

4安(ān)科(kē)瑞霍爾(ěr)傳(chuán)感器產品(pǐn)選型

4.1產品(pǐn)介(jiè)紹(shào)

霍(huò)爾電(diàn)流傳感(gǎn)器(qì)主(zhǔ)要(yào)適(shì)用於(yú)交流(liú)，直流，脈(mài)衝等(děng)復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換(huàn)
，通過(guò)霍(huò)爾效應原理(lǐ)使變(biàn)換後(hòu)的(dí)信號(hào)能夠(gòu)直(zhí)接被AD，DSP，PLC，二次儀表等(děng)各(gè)種(zhǒng)采集(jí)裝(zhuāng)置(zhì)直接采集(jí)和(hé)接(jiē)受
，響應時(shí)間快
，電(diàn)流測量範圍寬(kuān)精(jīng)度高(gāo)
，過載(zǎi)能(néng)力強
，綫性(xìng)好
，抗(kàng)幹(gān)擾能(néng)力強(qiáng)。適(shì)用(yòng)於(yú)電流(liú)監(jiān)控及(jí)電(diàn)池(chí)應(yīng)用，逆(nì)變電源及太陽能電源(yuán)管(guǎn)理(lǐ)係統(tǒng)，直流屏(píng)及直流馬達驅動，電鍍，焊接(jiē)應用(yòng)，變頻(pín)器
，UPS伺服控(kòng)製等係統電流信(xìn)號采集和(hé)反饋(kuì)控(kòng)製(zhì)。

4.2產品選型

4.2.1開(kāi)口式開環霍爾電(diàn)流(liú)傳感(gǎn)器(qì)

表(biǎo)1

4.2.2閉口式(shì)開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表(biǎo)2

4.2.3閉環霍爾(ěr)電流傳感(gǎn)器

表3

4.2.4直流漏電流(liú)傳(chuán)感(gǎn)器

表4

5結(jié)束語(yǔ)

基(jī)於霍爾傳(chuán)感器的電參量(liáng)檢測(cè)係統(tǒng)具(jù)有很好(hǎo)的綫性(xìng)度，準確度和(hé)良(liáng)好的反(fǎn)應時(shí)間(jiān)。溫(wēn)度漂(piāo)移(yí)小(xiǎo),霍(huò)爾元件在-40～+45℃的溫(wēn)度範(fàn)圍內,霍(huò)爾(ěr)電壓(yā)的溫度係數(shù)僅(jǐn)為0.03%～0.04%。這裏所介(jiè)紹的測量方(fāng)法(fǎ)達(dá)到(dào)了(liǎo)對電(diàn)參(cān)量(liáng)進(jìn)行的隔(gé)離(lí)傳(chuán)輸(shū)和準確檢(jiǎn)測(cè)的(dí)目的(dí),特別適合高電(diàn)壓，大電流(liú)電參(cān)量(liáng)的測(cè)量。這為研(yán)製一種新(xīn)的(dí)電參(cān)量測量儀器打(dǎ)下了一個良(liáng)好的基(jī)礎,在工(gōng)程(chéng)上(shàng)具有(yǒu)一(yī)定的應(yīng)用價值。不足之(zhī)處(chǔ),霍爾元(yuán)件(jiàn)存在不等(děng)位(wèi)的電(diàn)勢(shì)的(dí)影響,需加補償(cháng)電路修正。

【參(cān)考文(wén)獻(xiàn)】

[1] 葉(yè)波,王哲(zhé).霍爾(ěr)傳感器(qì)在(zài)富康橋(qiáo)車上的(dí)應(yīng)用(yòng)與檢測(cè)[J].現代(dài)電子(zǐ)技(jì)術,2004,27(16):19-20.

[2] 祝 敏.基於霍爾傳感器電參量(liáng)測量係統的(dí)設(shè)計

[3] 安科瑞企業微電(diàn)網設(shè)計與應用手冊(cè)2020.06版