霍爾傳感器在直流電流檢測中的應(yīng)用

霍爾傳感器在直流電流檢測中的應(yīng)用

1直流傳感技術(shù)在檢測直流流時，檢測電路是否應(yīng)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(shè)計霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制成的磁敏元件。用半導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)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(chǎn)生不等位電勢。因此在使用霍爾元件時,應(yīng)有相應(yīng)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(qū)動或恒壓驅(qū)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。霍爾傳感器分為線性型和開關(guān)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(yīng)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(guān),檢測靈敏度為1.4V/0.1T。應(yīng)用時在其5、6、7引腳連接調(diào)整電位器,可補償不等位電勢,同時可改善線性。調(diào)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(guān)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(chǎn)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(dāng)線圈為9匝,電流為20A時可產(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)部的磁感應(yīng)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(zhì)導(dǎo)磁系數(shù)對應(yīng)的磁場強度H為:H=B/μ因鐵磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)比空氣的導(dǎo)磁系數(shù)大得多,為了增強磁場的磁感應(yīng)強度,在線圈上加上鐵芯或磁芯等鐵磁材料。鐵磁材料的導(dǎo)磁能力是隨外磁場的強弱而變化的,因此它的導(dǎo)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(guān)系是非線性的,即鐵磁材料的導(dǎo)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(yīng)用中,假定使用鑄鐵作圓環(huán)鐵芯,并設(shè)繞有N匝線圈的圓環(huán)鐵芯的平均周長為L。假定當(dāng)待測電流最大值Imax通過線圈時產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為Bmax=0.3T,則由鑄鐵的平均磁化曲線可查得對應(yīng)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(yīng)強度的關(guān)系曲線可見,當(dāng)B=0.3T時,輸出霍爾電壓uH<2.5V(但接近2.5V)。當(dāng)I在0～Imax范圍內(nèi)變化時,B在0～Bmax范圍內(nèi)變化,輸出的霍爾電壓uH在0～2.5V的范圍內(nèi)變化。可用集成運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(zhuǎn)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(nèi)呈線性關(guān)系,但由于鐵芯的導(dǎo)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(guān)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(guān)系。因此在A/D變換后采集到對應(yīng)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(shè)計原理上要求其呈線性關(guān)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(zhuǎn)換電路在具體工作原理、機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)換電路本身想辦法,改變其結(jié)構(gòu)、參數(shù)和設(shè)計;另一方面可使用微處理器,采用相應(yīng)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(luò)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(luò)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?？刹捎眠@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(nèi)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