關(guān)于霍爾電流電壓傳感器、變送器的基本原理和使用方法
來源： | 作者: | 發(fā)表于：2014-07-11
關(guān)于霍爾電流電壓傳感器、變送器的基本原理和使用方法
關(guān)于霍爾電流電壓傳感器、變送器的基本原理和使用方法
1．霍爾器件
霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當(dāng)有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢VH。如圖1－1所示。
霍爾電勢VH的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比，即：VH＝KHICBsinΘ
霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成，即在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此，使電流的非接觸測量成為可能。
通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導(dǎo)體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過了電－磁－電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。
2．霍爾直流檢測原理
如圖1－2所示。由于磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓訊號U0可以間接反映出被測電流I1的大小，即：I1∝B1∝U0
我們把U0定標(biāo)為當(dāng)被測電流I1為額定值時，U0等于50mV或100mV。這就制成霍爾直接檢測（無放大）電流傳感器。
3．霍爾磁補(bǔ)償原理
原邊主回路有一被測電流I1，將產(chǎn)生磁通Φ1，被副邊補(bǔ)償線圈通過的電流I2所產(chǎn)生的磁通Φ2進(jìn)行補(bǔ)償后保持磁平衡狀態(tài)，霍爾器件則始終處于檢測零磁通的作用。所以稱為霍爾磁補(bǔ)償電流傳感器。這種先進(jìn)的原理模式優(yōu)于直檢原理模式，突出的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時間快和測量精度高，特別適用于弱小電流的檢測。霍爾磁補(bǔ)償原理如圖1－3所示。
從圖1－3知道：Φ1＝Φ2
I1N1＝I2N2
I2＝NI/N2·I1
當(dāng)補(bǔ)償電流I2流過測量電阻RM時，在RM兩端轉(zhuǎn)換成電壓。做為傳感器測量電壓U0即：U0＝I2RM
按照霍爾磁補(bǔ)償原理制成了額定輸入從～系列規(guī)格的電流傳感器。
由于磁補(bǔ)償式電流傳感器必須在磁環(huán)上繞成千上萬匝的補(bǔ)償線圈，因而成本增加；其次，工作電流消耗也相應(yīng)增加；但它卻具有直檢式不可比擬的較高精度和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。
4．磁補(bǔ)償式電壓傳感器
為了測量mA級的小電流，根據(jù)Φ1＝I1N1，增加N1的匝數(shù)，同樣可以獲得高磁通Φ1。采用這種方法制成的小電流傳感器不但可以測mA級電流，而且可以測電壓。
與電流傳感器所不同的是在測量電壓時，電壓傳感器的原邊多匝繞組通過串聯(lián)一個限流電阻R1，然后并聯(lián)連接在被測電壓U1上，得到與被測電壓U1成比例的電流I1，如圖1－4所示。
副邊原理同電流傳感器一樣。當(dāng)補(bǔ)償電流I2流過測量電阻RM時，在RM兩端轉(zhuǎn)換成電壓作為傳感器的測量電壓U0，即 U0＝I2RM
5．電流傳感器的輸出
直接檢測式（無放大）電流傳感器為高阻抗輸出電壓，在應(yīng)用中，負(fù)載阻抗要大于10KΩ，通常都是將其±50mV或±100mV懸浮輸出電壓用差動輸入比例放大器放大到±4V或±5V。圖5－1是兩個實(shí)用電路，供參考。
（a）圖可滿足一般精度要求；（b）圖性能較好，適用于精度要求高的場合。
直檢放大式電流傳感器為高阻抗輸出電壓。在應(yīng)用中，負(fù)載阻抗要大于2KΩ。
磁補(bǔ)償式電流、電壓磁補(bǔ)償式電流、電壓傳感器均為電流輸出型。從圖1－3看出“M”端對電源“O”
端為電流I2的通路。因此，傳感器從“M”端輸出的信號為電流信號。電流信號可以在一定范圍遠(yuǎn)傳，并能保證精度，使用中，測量電阻RM只需設(shè)計在二次儀表輸入或終端控制板接口上。
為了保證高精度測量要注意：①測量電阻的精度選擇，一般選金屬膜電阻，精度≤±0.5％，詳見表1－1，②二次儀表或終端控制板電路輸入阻抗應(yīng)大于測量電阻100倍以上。
6．取樣電壓與測量電阻的計算
從前面公式知道
U0＝I2RM
RM＝U0/I2
式中：U0－測量電壓，又叫取樣電壓（V）。
I2－副邊線圈補(bǔ)償電流（A）。
RM－測量電阻（Ω）。
計算時I2可以從磁補(bǔ)償式電流傳感器技術(shù)參數(shù)表中查出與被測電流（額定有效值）I1相對應(yīng)的輸出電流（額定有效值）I2。假如要將I2變換成U0＝5V，RM選擇詳見表1－1。
7．飽和點(diǎn)與最大被測電流的計算
從圖1－3可知輸出電流I2的回路是：V+→末級功放管集射極→N2→RM→0，回路等效電阻如圖1－6。（V-～0的回路相同，電流相反）
當(dāng)輸出電流I2最大值時，電流值不再跟著I1的增加而增加，我們稱為傳感器的飽和點(diǎn)。
按下式計算
I2max＝V+-VCES/RN2+RM
式中：V+－正電源（V）。
VCES－功率管集射飽和電壓，（V）一般為0.5V。
RN2－副邊線圈直流內(nèi)阻（Ω），詳見表，1－2。
RM－測量電阻（Ω）。
從計算可知改變測量電阻RM，飽和點(diǎn)隨之也改變。當(dāng)被測電阻RM確定后，也就有了確定的飽和點(diǎn)。根據(jù)下式計算出最大被測電流I1max：I1max＝I1/I2·I2max
在測量交流或脈沖時，當(dāng)RM確定后，要計算出最大被測電流I1MAX，如果I1max值低于交流電流峰值或低于脈沖幅值，將會造成輸出波形削波或限幅現(xiàn)象，此種情況可將RM選小一些來解決。
8．計算舉例：
舉例1
以電流傳感器LT100－P為例：
（1）要求測量
額定電流：直流
最大電流：直流（過載時間≤1分鐘/小時）
（2）查表，知
工作電壓：穩(wěn)壓±15V，線圈內(nèi)阻20Ω（詳見表1－2）
輸出電流：（額定值）
（3）要求取樣電壓：5V
計算測量電流與取樣電壓是否合適
RM＝U0/I2＝5/0.1＝50（Ω）
I2max＝V+－VCES/RN2＋RM＝15－0.5/20＋50＝0.207（A）
I1max＝I1/I2·I2max＝100/0.1×0.207＝207（A）
從以上計算結(jié)果得知滿足（1）、（3）的要求。
9．磁補(bǔ)償式電壓傳感器說明與舉例
LV50－P型電壓傳感器原邊與副邊抗電強(qiáng)度≥4000VRMS（50Hz.1min），用以測量直流、交流、脈沖電壓。在測量電壓時，根據(jù)電壓額定值，在原邊＋HT端串一限流電阻，即被測電壓通過電阻得到原邊電流
U1/R1＝I1、R1＝U1/10mA（KΩ），電阻的功率要大于計算值2～4倍，電阻的精度≤±0.5％。R1精密線繞功率電阻，可由廠方代訂。
10. 電流傳感器的接線方法
（1）直檢式（無放大）電流傳感器接線圖如圖1－7所示。
（a）圖是P型（印板插腳式）接發(fā)，（b）圖是C型（插座插頭式）接法，VN.、VN表示霍爾輸出電壓。
（2）直檢放大式電流傳感器接線圖如圖1－8所示。
（a）圖是P型接法，（b）圖是C型接法，圖中U0表示輸出電壓，RL表示負(fù)載電阻。
（3）磁補(bǔ)償式電流傳感器接線圖如圖1－9所示。
（a）圖是P型接法，（b）圖是C型接法（注意四針插座第三針是空腳）
以上三種傳感器的印板插腳式接法同實(shí)物的排列方法是一致的，插座插頭接法同實(shí)物的排列方法也是一致的，以免接線錯誤。
在以上接線圖上，主回路被測電流I1在穿孔中有一箭頭示出了電流正方向，實(shí)物外殼上也標(biāo)明了電流正方向，這是電流傳感器規(guī)定了被測電流I1的電流正方向與輸出電流I2是同極性的。這在三相交流或多路直流檢測量中是致關(guān)重要的。
11. 電流電壓傳感器的工作電源
電流傳感器是一種有源模塊，如霍爾器件、運(yùn)放、末級功率管，都需要工作電源，并且還有功耗，圖1－10是實(shí)用的典型工作電源原理圖。
（1）輸出地端集中接大電解上以利降噪。
（2）電容位uF，二極管為1N4004。
（3）變壓器根據(jù)傳感器功耗而定。
（4）傳感器的工作電流。
直檢式（無放大）耗電：最大5mA；直檢放大式耗電：最大±20mA；磁補(bǔ)償式耗電：20＋輸出電流；最大消耗工作電流20＋輸出電流的2倍。根據(jù)消耗工作電流可以計算出功耗。
12．電流電壓傳感器使用注意事項(xiàng)
（1）電流傳感器必須根據(jù)被測電流的額定有效值適當(dāng)選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測電流長時間超額，會損壞末極功放管（指磁補(bǔ)償式），一般情況下，2倍的過載電流持續(xù)時間不得超過1分鐘。
（2）電壓傳感器必須按產(chǎn)品說明在原邊串入一個限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續(xù)時間不得超過1分鐘。
（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當(dāng)被測電流高于電流傳感器的額定值時，應(yīng)選用相應(yīng)大的傳感器；當(dāng)被測電壓高于電壓傳感器的額定值時，應(yīng)重新調(diào)整限流電阻。當(dāng)被測電流低于額定值1/2以下時，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數(shù)的辦法。
（4）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長期正常工作在1KV及以下交流系統(tǒng)和1.5KV及以下直流系統(tǒng)中，6KV的傳感器可以長期正常工作在2KV及以下交流系統(tǒng)和2.5KV及以下直流系統(tǒng)中，注意不要超壓使用。
（5）在要求得到良好動態(tài)特性的裝置上使用時，最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數(shù)，均會影響動態(tài)特性。
（6）在大電流直流系統(tǒng)中使用時，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心產(chǎn)生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流并逐漸減小其值。
（7）傳感器抗外磁場能力為：距離傳感器5～10cm一個超過傳感器原邊電流值2倍的電流，所產(chǎn)生的磁場干擾可以抵抗。三相大電流布線時，相間距離應(yīng)大于5～10cm。
（8）為了使傳感器工作在最佳測量狀態(tài)，應(yīng)使用圖1－10介紹的簡易典型穩(wěn)壓電源。
（9）傳感器的磁飽和點(diǎn)和電路飽和點(diǎn)，使其有很強(qiáng)的過載能力，但過載能力是有時間限制的，試驗(yàn)過載能力時，2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。
（10）原邊電流母線溫度不得超過85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。
13．電流傳感器在使用中的優(yōu)越性
（1）非接觸檢測。在進(jìn)口設(shè)備的再改造中，以及老舊設(shè)備的技術(shù)改造中，顯示出非接觸測量的優(yōu)越性；原有設(shè)備的電氣接線不用絲毫改動就可以測得電流的數(shù)值。
（2）使用分流器的弊端是不能電隔離，且還有插入損耗，電流越大，損耗越大，體積也越大，人們還發(fā)現(xiàn)分流器在檢測高頻大電流時帶有不可避免的電感性，不能真實(shí)傳遞被測電流波形，更不能真實(shí)傳遞非正弦波型。電流傳感器完全消除了分流器以上的種種弊端，且精度和輸出電壓值可以和分流器做的一樣，如精度0.5、1.0級，輸出電壓50、75mV和100mV均可。
（3）使用非常方便，取一只LT100－C型電流傳感器，在M端與電源零端串入一只100mA的模擬表頭或數(shù)字萬用表，接上工作電源，將傳感器套在電線回路上，即可準(zhǔn)確顯示主回路0～100A電流值。
（4）傳統(tǒng)的電流電壓互感器，雖然工作電流電壓等級多，在規(guī)定的正弦工作頻率下有較高的精度，但它能適合的頻帶非常窄，且不能傳遞直流。此外，工作時存在激磁電流，所以這是電感性器件，使它在響應(yīng)時間上只能做到數(shù)十毫秒。眾所周知的電流互感器二次側(cè)一旦開路將產(chǎn)生高壓危害。在使用微機(jī)檢測中需信號的多路采集，人們正尋求能隔離又能采集信號的方法。電流電壓傳感器繼承了互感器原副邊可靠絕緣的優(yōu)點(diǎn)，又解決了傳遞變送器價昂體積大還要配用互感器的缺陷，給微機(jī)檢測等自動化管理系統(tǒng)提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換的機(jī)會。在使用中，傳感器輸出信號既可直接輸入到高阻抗模擬表頭或數(shù)字面板表，也可經(jīng)二次處理，模擬信號送給自動化裝置，數(shù)字信號送給計算機(jī)接口。
在3KV以上的高壓系統(tǒng)，電流、電壓傳感器都能與傳統(tǒng)的高壓互感器配合，替代傳統(tǒng)的電量變送器，為模數(shù)轉(zhuǎn)換提供方便。
（5）傳統(tǒng)的檢測元件受規(guī)定頻率、規(guī)定波形，響應(yīng)滯后等很多因素的限制，不能適應(yīng)大功率變流技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而產(chǎn)生的新一代霍爾電流電壓傳感器，以及電流電壓傳感器與真有效枝AC/DC轉(zhuǎn)換器組合成為一體化的變送器，已成為人們熟知最佳檢測模塊。另外，電子電力裝置向高頻化、模塊化、組件化、智能化發(fā)展，使裝置設(shè)計者得心應(yīng)手，這將是電子電力技術(shù)史上劃時代的根本性變革。
