霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用

霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用

1直流傳感技術在檢測直流流時，檢測電路是否應考慮對電流輸出的影響，這是必須解決的最重要問題。使用直流傳感器可以解決這個問題，并可以改變測量過程中的直流傳感器，以滿足自動檢測系統(tǒng)的要求。然而，直流傳感器體積大，價格高，不利于整個檢測系統(tǒng)的低成本和微型化。利用霍爾傳感器對直流電流進行檢測,能夠大大降低費用,縮小系統(tǒng)體積,并具有良好的隔離作用和較高的測量精度。2電子線路設計霍爾元件是利用霍爾效應制成的磁敏元件。用半導體材料和濺射工藝制成的霍爾元件,具有尺寸小,成本低,性能好的優(yōu)點。由于霍爾元件是用半導體材料制成的,對溫度的變化比較敏感,這會造成霍爾電壓的內阻隨溫度變化。在工藝方面,若兩個霍爾電壓輸出電極不在同一個等位面上以及材料電阻率不均,則會產生不等位電勢。因此在使用霍爾元件時,應有相應的溫度補償電路和不等位電勢的補償電路,這可采用恒流驅動或恒壓驅動來實現(xiàn)。將霍爾元件、放大器、補償電路及穩(wěn)壓電源等集成在一個芯片上就成了霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鞣譃榫€性型和開關型兩類。本文以線性型霍爾傳感器UGN—3501M為例闡述它在直流電流檢測中的應用方法與特點。3a輸出極性UGN—3501M是集成的線性型霍爾傳感器,為8引腳PID封裝的集成電路,采用差動霍爾電壓輸出,其輸出極性與磁場方向有關,檢測靈敏度為1.4V/0.1T。應用時在其5、6、7引腳連接調整電位器,可補償不等位電勢,同時可改善線性。調整5、6引腳外接電阻R5、R6阻值,可使輸出霍爾電壓uH與磁場強度B有較好的線性關系,如圖1所示。利用UGN—3501M可檢測電流、磁場、位移、角度等。4ugnet-3501m法測定電流4.1鐵磁材料平均磁線利用UGN—3501M霍爾傳感器可以方便地檢測直流電流,原理如圖2所示。繞有線匝的標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口,將UGN—3501M插入缺口中,將待檢測直流電流接入線匝,電流通過線匝時產生磁場,則霍爾傳感器就有電壓輸出。按UGN—3501M的檢測靈敏度,比如當線圈為9匝,電流為20A時可產生0.1T的磁場強度,UGN—3501M可輸出約為1.4V的電壓。將線圈串接在待測直流電路中,不會造成對待測電流回路的影響,同時由于采用電磁轉換的原理,可對待測電路起到良好的隔離作用。根據(jù)電磁場理論,對于長度為L的螺管線圈或平均周長為L的環(huán)行線圈,它們內部的磁感應強度B為:B=μNI/L式中N—線圈匝數(shù)I—線圈中電流μ—周圍介質導磁系數(shù)對應的磁場強度H為:H=B/μ因鐵磁材料的導磁系數(shù)比空氣的導磁系數(shù)大得多,為了增強磁場的磁感應強度,在線圈上加上鐵芯或磁芯等鐵磁材料。鐵磁材料的導磁能力是隨外磁場的強弱而變化的,因此它的導磁系數(shù)不是常數(shù)。由鐵磁材料磁化時具有的磁滯現(xiàn)象和磁滯回線可得到鐵磁材料的平均磁化曲線。由鑄鐵和鑄鋼這兩種鐵磁材料的平均磁化曲線可明顯地看出B和H的關系是非線性的,即鐵磁材料的導磁系數(shù)μ并非一個常數(shù)。在本文討論的如圖2所示的應用中,假定使用鑄鐵作圓環(huán)鐵芯,并設繞有N匝線圈的圓環(huán)鐵芯的平均周長為L。假定當待測電流最大值Imax通過線圈時產生的磁感應強度為Bmax=0.3T,則由鑄鐵的平均磁化曲線可查得對應的Hmax,進而可由公式N=HmaxL/Imax求得所需線圈匝數(shù)。由圖1所示的UGN—3501M輸出與磁感應強度的關系曲線可見,當B=0.3T時,輸出霍爾電壓uH<2.5V(但接近2.5V)。當I在0～Imax范圍內變化時,B在0～Bmax范圍內變化,輸出的霍爾電壓uH在0～2.5V的范圍內變化?？捎眉蛇\算放大器組成的同相比例運算放大電路對輸出的霍爾電壓進行放大,使其放大倍數(shù)為2,則可將UGN—3501M輸出的霍爾電壓放大到0～5V范圍,以滿足自動檢測系統(tǒng)中A/D轉換器件輸入范圍要求。4.2非線性誤差校正霍爾傳感器UGN—3501M雖然在B≤0.3T的范圍內呈線性關系,但由于鐵芯的導磁系數(shù)μ不是常數(shù),即μ是隨I而變的,則B與I也就不成固定的比例關系,因此,輸出的霍爾電壓uH與待測直流電流I之間不成線性關系。因此在A/D變換后采集到對應的數(shù)字量后,要經(jīng)過線性化處理,以完成標度變換。自動檢測系統(tǒng)的輸入和輸出之間,從設計原理上要求其呈線性關系,以便于信號處理、分析和計算,但由于傳感器、放大器、A/D轉換電路在具體工作原理、機械結構設計以及制造工藝和受外界環(huán)境影響等原因,使檢測系統(tǒng)存在著非線性誤差。非線性誤差屬于系統(tǒng)誤差,是靜態(tài)誤差,因此在自動檢測系統(tǒng)中需要對非線性誤差進行校正,以減少檢測系統(tǒng)的測量誤差。要提高自動檢測系統(tǒng)的線性度,一方面可從傳感器、放大電路、A/D轉換電路本身想辦法,改變其結構、參數(shù)和設計;另一方面可使用微處理器,采用相應的誤差校正方法,用數(shù)字方法進行補償。例如對非線性誤差可采用整段多項式近似法、分段折線法、平方插值校正法等方法進行處理,這些方法在許多書籍中都有論述。還可采用神經(jīng)網(wǎng)絡方法進行非線性誤差的校正,文獻討論了一種采用FLANN神經(jīng)網(wǎng)絡進行非線性誤差的校正方法,這種方法比采用整段校正、平方插值校正等方法具有更好的性能。可采用這些方法實現(xiàn)對本文論述的直流電流自動檢測系統(tǒng)的線性化。5內部控制器將霍爾傳感器用于直流電流自動檢測系統(tǒng),可使檢測系統(tǒng)體積、重量、費用大