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。