基于微處理器提高非接觸式電流測量產(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)；非接觸式電流測量；磁化曲線；MCU處理算法目前工業(yè)上非接觸式電流測量產(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量。由于結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，其中開環(huán)型霍爾傳感器應(yīng)用尤為廣泛。但是因為霍爾傳感器需要采用鐵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，當被測電流太小或太大時，電流與感應(yīng)磁場之間的線性關(guān)系都會變受到影響，大大減低測試精度。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，對采集到的信號進行軟件處理，如數(shù)字過濾以及線性補償?shù)?，不但能提高精度，調(diào)試簡潔，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，而微處理器的價格下跌是十分快速的，產(chǎn)品成本也會隨之下降。使用微處理器還能使之與電腦通信，就能實現(xiàn)產(chǎn)品自動調(diào)試和檢驗，在用工荒頻發(fā)的趨勢下，提高生產(chǎn)的自動化程度，顯得尤為緊要。 1原理簡介 文章中介紹的非接觸式電流測量方法主要是結(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，對電流進行測量。

3、但由于導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場太小，需要采用鐵磁材料以起到聚磁的作用，以增大磁場強度，使霍爾電壓的信噪比達到可易于檢測的值。 這種方法的缺點在于鐵磁材料的磁場強度（H）和磁感應(yīng)強度（B）之間的關(guān)系是非線性的。如果在增強場強條件下，此二者關(guān)系將呈曲線上升到某點，到達此點后，即使場強H繼續(xù)增加，磁感應(yīng)強度B也不再增加。該情況被稱為磁飽和（magnetic saturation）。 如圖1所示。可見場強與磁感應(yīng)強度的關(guān)系呈S形，尤其是大電流的情況下。若簡單采用線性對應(yīng)無疑會使測量精度變差。關(guān)于S形回路的處理，需要進行分段及曲線近似處理，結(jié)合微處理器用軟件實現(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為加工時的細微誤差，也會導(dǎo)致其磁場強度與磁感應(yīng)強度的對應(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量的精度提高一個瓶頸。這也是非接觸式電流測量在調(diào)試時面臨的一大難題。如果采用微處理器，就能實現(xiàn)產(chǎn)品與電腦的相互通信，對產(chǎn)品進行精度更高的調(diào)節(jié)，以確保量產(chǎn)品都能達到較高的精度要求。 2算法設(shè)計 首先把待測電流分量程測量，優(yōu)點如下： 由于被測電流動態(tài)范圍很大，這樣可以提高每個量程的動態(tài)范圍，提高精度。 磁化曲線在不同的場強下，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，就能針對不同的形態(tài)，采用不

5、同的逼近函數(shù)進行擬合，保證精度。 然后再把每個量程又分被成若干小段。調(diào)試時逐漸加大電流，以每個小段為一個單位，描繪出磁化曲線，然后把測得的值與被測實際電流值一一對應(yīng)，記錄在eeprom內(nèi)。這些值即是對應(yīng)于每對鐵芯本身的特性以及在鉗頭裝配時鐵芯位置誤差的磁化曲線。在實際測量時，每一小段量程都能根據(jù)事先記錄下來的磁化曲線對測量值進行補償。 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數(shù)據(jù)進行線性處理，而在測量時則采用線性內(nèi)插法。 例如文章實驗中采用12位ADC，滿幅為4096。每個量程分為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，只需為計算值乘上一個放大倍數(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。 文章實驗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，不作線性化處理，直接把測得的值記入eeprom。 3實驗結(jié)果 實驗結(jié)果如表1所示，由實驗結(jié)果可見，根據(jù)本算法的測量值誤差不超過1%，達到精度要求。 4結(jié)論 將微處理器應(yīng)用于非接觸性電流測量產(chǎn)品中，能夠?qū)Σ蓸拥綌?shù)據(jù)通過數(shù)字信號處理的方法輕松達到較高的精度，簡化了對外圍硬件設(shè)計，降低了成本。更能通過微處理器

7、，與電腦進行通信，實現(xiàn)自動校驗，降低了勞動力成本。此外，通過微處理器還能對數(shù)據(jù)通過FFT等其他DSP方式，進行諧波分析等處理，可進一步拓展電力測量產(chǎn)品的功能。 參考文獻： 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磁涌流時磁化曲 線的求取方法J.繼電器,1997,(4). 4 何乃明.磁通門探測器的數(shù)值計算