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霍尔传感器浅析

一、引言

    霍尔电流传感器,霍尔电压传感器是传感器装置测量使用最广泛,因为它具有高的精度,隔离性好,线性度号,响应快,频带宽,过载能力强等诸多优点,因而被广泛应用于频率控制装置,逆变器装置,UPS电源,逆变器焊接机,电解电镀、数控机床,计算机监控系统,电网监控系统和需要隔离的大电流,电压领域。在电力电子产品为高电压、大电流的情况下,也能保证精确的检测和控制。

二、霍尔传感器构成及原理

  霍尔电流,电压传感器根据霍尔原理制成。它有两种模式,即磁平衡和直测式。霍尔电流,电压传感器装置由一次电路、霍尔器件、二次线圈、聚磁环和放大电路构成。

2.1霍尔传感器霍尔效应

    所谓霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。霍尔金属效应是1879年美国物理学家霍尔发现。当通过金属箔片,当磁场被垂直施加于电流方向,同时会在金属箔双方出现横向电位差。

  洛伦兹力和电场力平衡列出Bvq = U / L·q(B是磁感应的强度,v为自由电子的速度,q为自由电子电荷量,霍尔电压U, l是横截面的长度),从而使U = Bv,这取决于微观电流I = nevs,则v的解释= I /(nes),用U = Bv,得到U = BI /(ned)(霍尔元件的d厚度),如使K = 1 /(ne),则U = kIB / d,K为霍尔系数。

  霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.   

    利用霍尔效应制造的电压及电流传感器,精确度高,是电学测量的有效工具。

导线中的电流与其周围的磁场成正比,有可能使用霍尔元件来测量磁场,由此可确定导线内电流大小。霍尔电流传感器由此设计而来。特点是与被测电路隔离开,不影响被测电路,尤其适用于大电流检测。

    磁平衡霍尔电流传感器,通过在磁路中的一次电流Ip的聚集产生的磁通中,霍尔器件检测出霍尔电压信号,经过放大器放大,电压信号精确地反映原一次电流。一次电流Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的二次电流Is通过二次线圈所产生的磁通量相平衡。二次电流Is精确地反映一次电流。

    磁平衡霍尔电压传感器一次电压Vp通过一次电阻R1转换为一次电流Ip,Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的二次电流Is通过二次线圈产生的磁通量相平衡。二次电流Is精确地反映一次电压。

   当霍尔元件被放置在电场强度E,磁场强度H的电磁场中,元件中产生的电流I、电位差正比于的强度电场E,如果电磁场,由P = EH确定的瞬时功率密度P的值由P=EH确定。这种方法可以构成霍尔功率传感器

    如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上,当它被安装通过该永磁体时,脉冲信号可以被从测量电路的测量而获得。脉冲信号能够检测移动物体的运动速度。如果每单位时间发射的脉冲的测量的数目,可确定的是移动速度。

2.2电流传感器

    霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流,从直流电到几十千赫兹的交流电,其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。

    当一次电流导体经过电流传感器时,一个一次电流IP会产生磁力线,所述磁力线集中围绕磁芯气隙,内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和一次磁力线成正比的,大小仅为几毫伏的感应电压,通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成二次电流IS,并存在以下关系式: IS* NS= IP*NP

其中IS-   二次电流;

IP-一次电流;

一次匝数NP;

NS-二次线圈匝数;

NP / NS-报告旋转,通常NP = 1。

    电流传感器的输出信号是二次电流IS,在该输入信号(一次电流IP)成正比,一般是低的,只有10-400毫安。如果通过测量电阻RM输出电流,可以用得到与一次电流正比几伏的输出信号电压。

2.3磁平衡式电流传感器(闭合回路系列CST)

  磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器,即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个二次线圈电流所产生的磁场进行补偿,从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

   磁平衡式电流传感器的具体工作过程为:当主回路有一电流通过时,在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上,所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通,从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场,该磁场与被测电流产生的磁场正好相反,因而补偿了原来的磁场,使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时,Is不再增加,这时的霍尔器件起指示零磁通的作用,此时可以通过Is来跟踪Ip。当Ip变化时,平衡受到破坏,霍尔器件有信号输出,即重复上述过程,最后重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡,霍尔器件就有信号输出。经功率放大后,立即就有相应的电流流过二次绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡,所需的时间理论上不到1μs,这是一个动态平衡的过程。

2.4 霍尔电压传感器(闭环式HNV系列)

    霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似,也是以磁平衡方式工作的。根据霍尔效应,人们用半导体材料制成霍尔元件,它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此,在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 

 

三、性能特点

    霍尔电流、电压传感器具有优越的电性能,是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点,同时又克服了互感器和分流器的不足(互感器只适用于50Hz工频测量;分流器无法进行隔离测量)。利用同一只霍尔电流电压传感器检测元件既可以检测交流也可以检测直流,甚至可以检测瞬态峰值,因而是替代互感器和分流器的新一代产品。霍尔电流、电压传感器具有如下特点:

可测量任意波形的电压和电流。霍尔电压、电流传感器可以测量任意波形的电流和电压参量,如直流、交流和脉冲波形等。也可以对瞬态峰值参数进行测量,其二次电路可以忠实地反映一次电流的波形。这一点普通互感器无法与其相比,因为普通的互感器一般只适用于50Hz的正弦波;

精度高。一般的霍尔电流电压传感器在工作区域内的精度优于1%,该精度适合于任何波形的测量,而普通互感器精度一般为3%~5%,且只适合于50Hz的正弦波形;

一般线性度优于0.5%,对于一般工业控制可完全满足要求。动态性能好;工作频带宽;过载能力强;测量范围大;可靠性高,平均无故障工作大于5×10000小时;尺寸小,重量轻,易于安装且不会给系统带来任何损失。

四、霍尔传感器的连接方式

电流、电压传感器只需外接正负直流电源,被测电流母线一般从传感器中穿过或接于一次端子,然后在二次端再作一些简单的连接即可完成主控制电路的隔离检测,电路设计非常简单。若与变送器配合使用,经A/D转换后,可方便地与计算机或各种仪表接口,并可以进行长距离传输。

4.1 磁平衡(补偿)式接线法

  磁平衡(补偿)式电流、电压传感器/变换器有HNC、HNV两系列:其输出信号多为电流。(若需要电压输出方式,可在M端与电流地之间根据所需电压大小外接取样电阻或将取样电压进行必要的信号放大。)该类常规传感器的3个接线端子分别为:正电源输入接“+”端,负电源输入接“-”端,“M”端为信号输出端。

4.2 直放式接线法

  直放式电流传感器有HDC系列。它的输出信号为电压方式,在额定工作条件下,其标准输出信号为±4V,用户可根据需要选取。传感器上有零点和增益电位器,用户一般不需再作调整。若用户有特殊要求,可向厂方订做。直放式电流传感器的接线方法会因具体产品的不同而有所不同,但多为4个接线端子分别为:正电源输入接“+”端,负电源输入接“-”端,“M”端为信号输出端,“0”端为电源地 。

4.3 电压传感器的接线法

  电压传感器一般有5个接线端子,其中“V +”、“V-”为一次端子,分别接被测电压输入端的正极和负极。另外3个端子为二次端子,“+”端接+15V电源,“-”端接-15V电源,“M”端为信号输出端。

    根据所测电压大小的不同,用户可根据需要在被测电压一端串接一个限流电阻R后再接到传感器的一次,串接电阻R的大小由下式决定:

    R=Vp/Iin-Rin

    式中R为串联电阻,Vp为被测电压,Iin为额定输入电流,Rin为传感器的一次内阻。

    串接电阻功率大小由W=Vp·Iin确定

 

五、使用霍尔传感器时,应注意以下几点:

 (1)使用传感器时,应先接通二次电源,再接通一次电流或电压。

 (2)测量电流时,最好用单根导线充满模块孔径,以获得最佳动态特性和灵敏度。

 (3)测量电压时,被测电压应先串接限流电阻,在得到传感器所规定的一次电流后,再接入电压传感器一次端子。

 (4)霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN。在+25℃时,传感器测量精度与一次电流有一定影响,同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流;当被测电流低于额定值时,为了获得较好的精度,一次可以使用多匝,即:Ip*Np=额定安匝数。

  (5)过载情况,电流传感器的过载能力是指发生电流过载时,在测量范围之外,一次电流仍会增加,而且过载电流的持续时间可能很短,而过载值有可能超过传感器的允许值,过载电流值传感器一般测量不出来,但不会对传感器造成损坏。

  (6)温度漂移,霍尔电量传感器一般都存在温度漂移,偏移电流ISO是在25℃时计算出来的,当霍尔电极周边环境温度变化时,ISO会产生变化。因此,在实际应用中,考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的。可以在后续的信号处理中对温度漂移加以补偿。

 


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