基于微處理器提高非接觸式電流測(cè)量產(chǎn)品精度的方法

1、基于微處理器提高非接觸式電流測(cè)量產(chǎn)品精度的方法    關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)；非接觸式電流測(cè)量；磁化曲線；MCU處理算法目前工業(yè)上非接觸式電流測(cè)量產(chǎn)品中普遍采用霍爾（Hall）傳感器技術(shù)，該技術(shù)適用于從直流到中頻段的交流電流的測(cè)量。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，其中開環(huán)型霍爾傳感器應(yīng)用尤為廣泛。但是因?yàn)榛魻杺鞲衅餍枰捎描F磁材料以起到聚磁的作用。而鐵磁材料存在磁滯效應(yīng)和磁損耗，當(dāng)被測(cè)電流太小或太大時(shí)，電流與感應(yīng)磁場(chǎng)之間的線性關(guān)系都會(huì)變受到影響，大大減低測(cè)試精度。如果采用硬件分段處理或是閉環(huán)型霍爾傳感器，雖然能提高精度，但是硬件系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)及開發(fā)周期急劇上升，在工業(yè)

2、領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中得不償失。然而采用微處理器，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行軟件處理，如數(shù)字過濾以及線性補(bǔ)償?shù)?，不但能提高精度，調(diào)試簡(jiǎn)潔，而且在微處理器高速發(fā)展的今天，采用微處理器的成本也十分有限。長期來看，工業(yè)產(chǎn)品的周期也比較長，而微處理器的價(jià)格下跌是十分快速的，產(chǎn)品成本也會(huì)隨之下降。使用微處理器還能使之與電腦通信，就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)調(diào)試和檢驗(yàn)，在用工荒頻發(fā)的趨勢(shì)下，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，顯得尤為緊要。 1原理簡(jiǎn)介 文章中介紹的非接觸式電流測(cè)量方法主要是結(jié)合應(yīng)用了畢奧-薩伐爾定律（Biot-Savart Law）以及霍爾效應(yīng)（Hall effect）。通過非接觸的方式，使電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量。

3、但由于導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)太小，需要采用鐵磁材料以起到聚磁的作用，以增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，使霍爾電壓的信噪比達(dá)到可易于檢測(cè)的值。 這種方法的缺點(diǎn)在于鐵磁材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）和磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）之間的關(guān)系是非線性的。如果在增強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)條件下，此二者關(guān)系將呈曲線上升到某點(diǎn)，到達(dá)此點(diǎn)后，即使場(chǎng)強(qiáng)H繼續(xù)增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度B也不再增加。該情況被稱為磁飽和（magnetic saturation）。 如圖1所示?？梢妶?chǎng)強(qiáng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系呈S形，尤其是大電流的情況下。若簡(jiǎn)單采用線性對(duì)應(yīng)無疑會(huì)使測(cè)量精度變差。關(guān)于S形回路的處理，需要進(jìn)行分段及曲線近似處理，結(jié)合微處理器用軟件實(shí)現(xiàn)比用硬件更為容易和快捷。 而且，同一類型的鐵磁材

4、料不同批次，甚至同一批次的鐵磁材料因?yàn)榧庸r(shí)的細(xì)微誤差，也會(huì)導(dǎo)致其磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系不一致。這樣鐵芯材料的不一致性造成的誤差是制約電流測(cè)量的精度提高一個(gè)瓶頸。這也是非接觸式電流測(cè)量在調(diào)試時(shí)面臨的一大難題。如果采用微處理器，就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與電腦的相互通信，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精度更高的調(diào)節(jié)，以確保量產(chǎn)品都能達(dá)到較高的精度要求。 2算法設(shè)計(jì) 首先把待測(cè)電流分量程測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)如下： 由于被測(cè)電流動(dòng)態(tài)范圍很大，這樣可以提高每個(gè)量程的動(dòng)態(tài)范圍，提高精度。 磁化曲線在不同的場(chǎng)強(qiáng)下，呈現(xiàn)不同的形態(tài)，比如起始階段，線性階段以及飽和階段。如果采用單一函數(shù)處理的話，很難保證精度。分段處理，就能針對(duì)不同的形態(tài)，采用不

5、同的逼近函數(shù)進(jìn)行擬合，保證精度。 然后再把每個(gè)量程又分被成若干小段。調(diào)試時(shí)逐漸加大電流，以每個(gè)小段為一個(gè)單位，描繪出磁化曲線，然后把測(cè)得的值與被測(cè)實(shí)際電流值一一對(duì)應(yīng)，記錄在eeprom內(nèi)。這些值即是對(duì)應(yīng)于每對(duì)鐵芯本身的特性以及在鉗頭裝配時(shí)鐵芯位置誤差的磁化曲線。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，每一小段量程都能根據(jù)事先記錄下來的磁化曲線對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。 根據(jù)磁化曲線特性，在電流較低的量程，磁化曲線線性較好，所以在記錄磁化曲線是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性處理，而在測(cè)量時(shí)則采用線性內(nèi)插法。 例如文章實(shí)驗(yàn)中采用12位ADC，滿幅為4096。每個(gè)量程分為64小段，每小段步長為4096/64=64，如圖2所示。 在線性段的下一量程（

6、依舊是線性段），算法相同，只需為計(jì)算值乘上一個(gè)放大倍數(shù)即可。 而在大電流量程（接近于飽和區(qū)）則采用非線性的函數(shù)曲線擬合，比如： y=a b log（x），y=，y=ea b logx等。 文章實(shí)驗(yàn)中采用反正切曲線作為逼近函數(shù)。磁化曲線的反正切逼近函數(shù)如下： y=a arctan（bx） 調(diào)試時(shí)，不作線性化處理，直接把測(cè)得的值記入eeprom。 3實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，根據(jù)本算法的測(cè)量值誤差不超過1%，達(dá)到精度要求。 4結(jié)論 將微處理器應(yīng)用于非接觸性電流測(cè)量產(chǎn)品中，能夠?qū)Σ蓸拥綌?shù)據(jù)通過數(shù)字信號(hào)處理的方法輕松達(dá)到較高的精度，簡(jiǎn)化了對(duì)外圍硬件設(shè)計(jì)，降低了成本。更能通過微處理器

7、，與電腦進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校驗(yàn)，降低了勞動(dòng)力成本。此外，通過微處理器還能對(duì)數(shù)據(jù)通過FFT等其他DSP方式，進(jìn)行諧波分析等處理，可進(jìn)一步拓展電力測(cè)量產(chǎn)品的功能。 參考文獻(xiàn)： 1 Jackson,John David.Classical Electrodynamics.3rd ed.M. New York:Wiley,1999. 2 Edwin Hall.On a New Action of the Magnet on Electric CurrentsJ.American Journal of Mathematics,2008,(2).        3 張燕,劉元龍.利用磁特性鑒別變壓器勵(lì)磁涌流時(shí)磁化曲 線的求取方法J.繼電器,1997,(4). 4 何乃明.磁通門探測(cè)器的數(shù)值計(jì)算