霍爾傳感器在測量系統(tǒng)中的應用

電參量的測量方法

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。

當被測電流IIN流過原邊回路時，在導線周圍產(chǎn)生磁場HIN這個磁場被聚磁環(huán)*，并感應給霍爾器件，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，這時相應的功率管導通，從而獲得一個補償電流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，這時霍爾器件就達到零磁通檢測作用。

這一平衡所建立的時間在1μs之內，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，就有信號輸出，經(jīng)過放大后，立即有相應的電流流過副邊線圈進行補償。因此從宏觀上看副邊補償電流的安匝數(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為補償繞組中的電流;N2為補償繞組的匝數(shù))。

由原、副邊匝數(shù)可知，只要測得補償線圈的電流IO，即可知道原邊電流IIN，如原邊為導線穿心式，則N1=l，IIN=N2IO。利用同樣的原理可進行電壓測量，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，先經(jīng)隔離變壓器降壓后，對降壓后的電壓進行測量，然后對測量數(shù)據(jù)乘以倍數(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?shù)碾娮鑂0，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。

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載的性質。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(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100kHz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)過零電平比較器1和2，當信號由負變正，通過零點時產(chǎn)生一個脈沖，加到門控電路輸入端。設U1超前于U2，則前者作開啟信號，后者作關閉信號。門控電路產(chǎn)生一個脈沖寬度對應于兩個信號相位差的矩形脈沖，該脈沖一路送單片機的定時/計數(shù)器T1口，單片機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，時標信號Ts經(jīng)由與門至單片機的定時/計數(shù)器TO口計數(shù)，設計數(shù)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(shù)cosψ，進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)。

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時間。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(shù)僅為0.03%～O.04%。

這里所介紹的測量方法達到了對電參量進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，在工程上具有一定的應用價值。不足之處，霍爾元件存在不等位的電勢的影響，需加補償電路修正。