中心議題：

• 霍爾效應測量原理
• 電參量的測量方法

解決方案：

• 電流的測量采用磁平衡式霍爾電流傳感器
• 傳感器可測量從直流到100kHz的交流量

在自動測控係統中，常需要測量和顯示有關電參量。目前大多數測量係統仍采用變壓器式電壓、電dian流liu互hu感gan器qi，由you於yu互hu感gan器qi的de非fei理li想xiang性xing
，使shi得de變bian比bi和he相xiang位wei測ce量liang都dou存cun在zai較jiao大da的de誤wu差cha

，常chang需xu要yao采cai用yong硬ying件jian或huo軟ruan件jian的de方fang法fa補bu償chang，從cong而er增zeng加jia了le係xi統tong的de複fu雜za性xing。

采(cai)用(yong)霍(huo)爾(er)檢(jian)測(ce)技(ji)術(shu)
，可(ke)以(yi)克(ke)服(fu)互(hu)感(gan)器(qi)這(zhe)些(xie)缺(que)點(dian)
，能(neng)測(ce)量(liang)從(cong)直(zhi)流(liu)到(dao)上(shang)百(bai)千(qian)赫(he)茲(zi)的(de)各(ge)種(zhong)形(xing)狀(zhuang)的(de)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)，並(bing)且(qie)達(da)到(dao)原(yuan)副(fu)邊(bian)不(bu)失(shi)真(zhen)傳(chuan)遞(di)，同(tong)時(shi)又(you)能(neng)實(shi)現(xian)主(zhu)電(dian)路(lu)回(hui)路(lu)和(he)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)的(de)隔(ge)離(li)


，霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)可(ke)直(zhi)接(jie)與(yu)單(dan)片(pian)機(ji)接(jie)口(kou)。

因yin此ci霍huo爾er傳chuan感gan器qi已yi廣guang泛fan應ying用yong於yu微wei機ji測ce控kong係xi統tong及ji智zhi能neng儀yi表biao中zhong
，是shi替ti代dai互hu感gan器qi的de新xin一yi代dai產chan品pin。在zai此ci提ti出chu了le利li用yong霍huo爾er傳chuan感gan器qi對dui電dian參can量liang特te別bie是shi對dui高gao電dian壓ya、大電流的參數的測量。

l測量原理

1霍爾效應原理

如圖1所示，一個N型半導體薄片
，長度為L，寬度為S，厚度為d，在垂直於該半導體薄片平麵的方向上，施加磁感應強度為B的磁場，若在長度方向通以電流Ic則(ze)運(yun)動(dong)電(dian)荷(he)受(shou)到(dao)洛(luo)倫(lun)茲(zi)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)

，正(zheng)負(fu)電(dian)荷(he)將(jiang)分(fen)別(bie)沿(yan)垂(chui)直(zhi)於(yu)磁(ci)場(chang)和(he)電(dian)流(liu)的(de)方(fang)向(xiang)向(xiang)導(dao)體(ti)兩(liang)端(duan)移(yi)動(dong)，並(bing)聚(ju)集(ji)在(zai)導(dao)體(ti)兩(liang)端(duan)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)動(dong)勢(shi)UH，這就是霍爾電動勢(或稱之為霍爾電壓)
，這種現象稱為霍爾效應。霍爾電壓的大小UH=RIB／d=KHICB
，其中R為霍爾常數；KH為霍爾元件的乘積靈敏度。

2用霍爾傳感器測量電參量的原理

由霍爾電壓公式可知：對於一個成型的霍爾傳感器，乘積靈敏度KH是一恒定值
，則UH∝ICB，隻要通過測量電路測出UH的大小，在B和IC兩個參數中
，已知一個，就可求出另一個，因而任何可轉換成B或J的未知量均可利用霍爾元件來測量，任何轉換成B和I乘積的未知量亦可進行測量。電參量的測量就是根據這一原理實現的。
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若控製電流IC為常數，磁感應強度B與被測電流成正比，就可以做成霍爾電流傳感器測電流，若磁感應強度B為常數
，IC與被測電壓成正比，可製成電壓傳感器測電壓，利用霍爾電壓
、電流傳感器可測交流電的功率因數
、電功率和交流電的頻率。

由UH=KICB可知：若IC為直流，產生磁場B的電流IO為交流時
，UH為交流；若IO亦為直流，則輸出也為直流。當IC為交流，IO亦為直流時
，輸出與IC同頻率的交流且其幅值與被測直流IO大小成正比，改變被測電流IO的方向，輸出電壓UH極性隨之改變。故利用霍爾傳感器，既可對直流量進行測量

，亦可對交流量進行測量。

係統結構簡圖

檢測係統構成如圖2，被測量經霍爾傳感器轉換為電壓信號，經信號調理電路和多路轉換開關選擇，通過A／D轉換器送給單片機，單片機采用89C51，是該係統的主控器，鍵盤選用2×4鍵盤，用於選擇被測量的種類，采用數碼管或液晶顯示被測量的大小。

電參量的測量方法

1電壓、電流信號的測量

電流的測量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器(亦稱為零磁通式霍爾傳感器)如圖3所示。
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當被測電流IIN流過原邊回路時
，在導線周圍產生磁場HIN這個磁場被聚磁環聚集，並感應給霍爾器件，使其有一個信號UH輸出；這一信號經放大器A放大，輸人到功率放大器中Q1，Q2中，這時相應的功率管導通
，從而獲得一個補償電流IO

；由於此電流通過多匝繞組所產生的磁場HO與原邊回路電流所產生的磁場HIN相反；因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出電壓UH逐漸減小

，最後當IO與匝數相乘N2IO所產生的磁場與原邊N1IIN所產生的磁場相等時
，IO不再增加，這時霍爾器件就達到零磁通檢測作用。

這一平衡所建立的時間在1μs之內
，這是一個動態平衡過程，即原邊回路電流IIN的de任ren何he變bian化hua均jun會hui破po壞huai這zhe一yi平ping衡heng的de磁ci場chang，一yi旦dan磁ci場chang失shi去qu平ping衡heng，就jiu有you信xin號hao輸shu出chu
，經jing過guo放fang大da後hou
，立li即ji有you相xiang應ying的de電dian流liu流liu過guo副fu邊bian線xian圈quan進jin行xing補bu償chang。因yin此ci從cong宏hong觀guan上shang看kan副fu邊bian補bu償chang電dian流liu的de安an匝za數shu在zai任ren何he時shi間jian都dou與yu原yuan邊bian電dian流liu的de安an匝za數shu保bao持chi相xiang等deng，即jiN1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2／N1(IIN為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數；IO為補償繞組中的電流
；N2為補償繞組的匝數)。

由原、副邊匝數可知，隻要測得補償線圈的電流IO
，即可知道原邊電流IIN，如原邊為導線穿心式，則N1=l，IIN=N2IO。利用同樣的原理可進行電壓測量，隻需在原邊線圈回路中串聯一個電阻R1

，將原邊電流IIN轉換成被測電壓UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO／N1
，RIN為原邊繞阻的內阻(一般很小不計)。對特高壓交流電壓的測量
，先經隔離變壓器降壓後，對降壓後的電壓進行測量
，然後對測量數據乘以倍數，即可得被測電壓的大小。

該測量輸出信號為電流形式IO。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點之間串接恰當的電阻R0
，並在該電阻上取電壓
，就構成了電壓形式的輸出。輸出電壓經電壓調整電路
、線性放大電路、不等位補償電路
、射集跟隨等獲得所需的電壓，便於測量與顯示。

2功率及功率因數
、頻率等電參數的測量

由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知
，隻要準確測量出U
，I及電流與電壓相位差ψ
，就可算出P與cosψ。采用傳統的電磁式電壓

、電流互感器進行測量
，由於互感器的非理想性，除存在變比誤差外，更主要的是存在較大的相位誤差，這就使測得的ψ值不能真實地反映負載的性質。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉換器(如AD637)等，可以使功率及功率因數的測量精度大大提高。

此外，霍爾傳感器還可以測量從直流到100kHz的de任ren意yi波bo形xing的de交jiao流liu量liang，從cong而er克ke服fu了le電dian磁ci式shi互hu感gan器qi有you特te定ding的de額e定ding頻pin率lv的de弊bi端duan。真zhen有you效xiao值zhi轉zhuan換huan器qi可ke以yi將jiang正zheng弦xian波bo形xing或huo任ren意yi波bo形xing的de交jiao流liu量liang轉zhuan換huan為wei直zhi流liu量liang，輸shu出chu直zhi流liu的de大da小xiao正zheng比bi於yu交jiao流liu量liang的de有you效xiao值zhi，且qie轉zhuan換huan精jing度du高gao，因yin而er測ce量liang相xiang對dui準zhun確que。

測量原理如圖4所示，交直流電壓
、電流經霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離
、轉換後，得到與之對應的電壓信號

，再經真有效值轉換器轉換為直流(直流電不需轉換)，其大小正比於交流電的有效值，直流(或轉換後的直流)電壓經A／D變換後送入單片機，這就采集到了U，I的大小。

另外將傳感器副邊輸出的電信號U1，U2分別經過零電平比較器1和2，當信號由負變正，通過零點時產生一個脈衝
，加到門控電路輸入端。設U1超前於U2，則前者作開啟信號，後者作關閉信號。門控電路產生一個脈衝寬度對應於兩個信號相位差的矩形脈衝，該脈衝一路送單片機的定時／計數器T1口
，單片機測出相鄰兩個矩形脈衝前沿之間的時間間隔t
，即為被測信號的周期Tx(頻率fx=1／Tx)。

另一路送至與門電路，打開計數與門，在此期間，時標信號Ts經由與門至單片機的定時／計數器TO口計數，設計數值為N
，則U1與U2相位差為△ψ=Ts／TxN×360°。經單片機計算出功率因數cosψ
，進一步計算出有功功率P＝UIcosψ，並將測得參數U，I，P，cosψ，ψx等(deng)送(song)顯(xian)示(shi)電(dian)路(lu)顯(xian)示(shi)。如(ru)要(yao)測(ce)三(san)相(xiang)電(dian)路(lu)的(de)總(zong)功(gong)率(lv)，則(ze)分(fen)別(bie)測(ce)得(de)每(mei)一(yi)相(xiang)的(de)功(gong)率(lv)，然(ran)後(hou)三(san)相(xiang)功(gong)率(lv)相(xiang)加(jia)即(ji)可(ke)。此(ci)外(wai)，該(gai)係(xi)統(tong)也(ye)可(ke)測(ce)量(liang)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)和(he)視(shi)在(zai)功(gong)率(lv)等(deng)電(dian)參(can)數(shu)。

基於霍爾傳感器的電參量檢測係統具有很好的線性度
、精確度和良好的反應時間。溫度漂移小，霍爾元件在-40～+45℃的溫度範圍內，霍爾電壓的溫度係數僅為0．03％～O．04％。

這裏所介紹的測量方法達到了對電參量進行高精度的隔離傳輸和精確檢測的目的，特別適合高電壓、dadianliudiancanliangdeceliang。zheweiyanzhiyizhongxindediancanliangceliangyiqidaxialeyigelianghaodejichu
，zaigongchengshangjuyouyidingdeyingyongjiazhi。buzuzhichu，huoeryuanjiancunzaibudengweidedianshideyingxiang，xujiabuchangdianluxiuzheng。