汽車應(yīng)用中的新型傳感技術(shù)探究new

1、閉環(huán)霍爾電流傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用 1 引 言地面車用電源系統(tǒng)（以下簡稱電源系統(tǒng)）的輸出電流的檢測與控 制，直接決定了電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，從而會影響車輛用電負(fù)載的運(yùn)行狀況及車輛的可操作性。由于車用電源的負(fù)載常常因為車輛復(fù)雜的使用條件而導(dǎo)致 負(fù)載變化較大，隨之電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對電源的輸出電流不加限制，會造成電源因過載而發(fā)熱，影響其功率輸出，更嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致電源永久 失效。閉環(huán)霍爾電流傳感器（以下簡稱傳感器）在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，實現(xiàn)了對電源系統(tǒng)輸出電流的隔離 測量，即傳感器的輸出信號與電源的輸出電流電氣隔離，有利于傳感器輸出信號調(diào)整處理，通過調(diào)整、設(shè)定該信號

2、并反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電源的輸出電 流接近電源系統(tǒng)的設(shè)計功率輸出時，電源輸出電流將不在增加，從而限制了電源系統(tǒng)的輸出功率，保護(hù)電源系統(tǒng)不會因用電負(fù)載的變化而損壞。2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理1879年，美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來，霍爾技術(shù)越來越多的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。進(jìn)入八十年代，隨著元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，霍爾器件的性能大大提高，由霍爾器件 應(yīng)用開發(fā)的霍爾電流、電壓傳感器的性能也有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流、電壓傳感器的研制成功，大大的擴(kuò)展了該項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)是霍爾技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，當(dāng)通有小電流的半

3、導(dǎo)體薄片置于磁場中時，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓VH ，這個電壓VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及控制電流IC成正比，經(jīng)過理論推算有如下等式關(guān)系： VH =（RH/d）×B×IC （1） 式中：VH為霍爾電壓；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)；d為半導(dǎo)體厚度。上式中，若保持控制電流IC不變，在一定條件下，可通過測量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場與電壓信號的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制了用于測量磁場的半導(dǎo)體器件，即霍爾器件。 2.2閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏

4、感元件用于隔離檢 測電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式的（或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。眾所周知，當(dāng)電流流過一根長的直導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁 場的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線形關(guān) 系，因此可利用霍爾器件的測得的輸出信號，直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電流大小，即： I B VH （2）式中：I為通過導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；VH為霍爾器件在磁場B中產(chǎn)生 的霍爾電壓。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可以表示為等式。對于霍爾輸出電壓信號VH的處理，人們設(shè)計了許多

5、種電路，但總體來講可分為兩類，一類為開環(huán) （或稱直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。針對霍爾傳感器的電路形式而言，人們最容易想到的是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接信號放 大，得到所需要的信號電壓，由此電壓值來標(biāo)定原邊被測電流大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環(huán)霍爾電流傳感器。開環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡單、 成本相對較低；其缺點(diǎn)是精度、線性度較差；響應(yīng)時間較慢；溫度漂移較大。為了克服開環(huán)傳感器存在的不足，八十年代末期，國外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。 1989年，北京七O一廠引進(jìn)國外技術(shù)在國內(nèi)率先開展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制、生產(chǎn)。經(jīng)

6、過十幾年的努力，這種傳感器在國內(nèi)逐漸為廣大用戶了解和應(yīng)用。閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的，即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場，通過一個副邊線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達(dá)到平衡時，即有如下等式： N×IN= n×IM （3） 式中：IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。 由上式看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝 數(shù)時，通過測量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實現(xiàn)了原邊電流的隔離測量。3 閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能閉環(huán)霍爾電

7、流傳感器是近十年來出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能要大大的優(yōu)于開環(huán)霍爾電流傳感器，同時與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測量方法相比亦有許多優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)： 1) 可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流； 2) 副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2KV12KV； 3) 電流測量范圍寬，可測量額定1mA50KA電流； 4) 跟蹤速度di/dt：高于50A/us； 5) 線性度：優(yōu)于0.1% IN； 6) 響應(yīng)時間：小于1us； 7)頻率響應(yīng)：0100KHz。 4 傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用閉環(huán)霍爾電流傳感器的應(yīng)用范圍很廣，目前已成功的應(yīng)用于各

8、種電源、逆變焊機(jī)、發(fā)電及輸變電設(shè)備、電氣傳動、數(shù)控機(jī)床、軍用裝備等工業(yè)及軍用產(chǎn)品上。下面以額定電流為300A的CHB-300S型霍爾電流傳感器為例說明這種傳感器的應(yīng)用。 表1 CHB-300S型霍爾傳感器的主要性能參數(shù)  符  號名  稱參  數(shù) 型  號CHB-300SIN額定電流300A（RMS）IP測量范圍0500AIM輸出電流150mA對應(yīng)原邊300AX精度（Ta=25）IN的±0.5% KN匝  比1：2000L線性度< 0.1%  di/dt> 50A/ µSIoff失調(diào)

9、電流±0.3mA（典型）Tr反應(yīng)時間1µSVc電源電壓Vc（±5%）Ic耗  電28mA + IMCHB-300S型閉環(huán)霍爾電流傳感器的額定電流為300A， 輸出電流為150mA，表1給出了CHB-300S型傳感器的主要性能參數(shù)。某型地面車輛裝備了一套獨(dú)立的大功率發(fā)電系統(tǒng)，在該車輛發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)計選用了CHB-300S型 閉環(huán)霍爾電流傳感器作為系統(tǒng)電流檢測部件，傳感器的主要作用是隔離檢測發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，通過對傳感器的輸出信號進(jìn)行處理，設(shè)定限流工作點(diǎn)，確保發(fā)電系 統(tǒng)的輸出功率不高于發(fā)電機(jī)的額定功率。閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-300S的應(yīng)用，很好的實現(xiàn)了上述應(yīng)用目的。通過設(shè)置傳感器C