关于霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理和使用方法
来源： | 作者: | 发表于：2014-07-11
关于霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理和使用方法
关于霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理和使用方法
1．霍尔器件
霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势VH。如图1－1所示。
霍尔电势VH的大小与控制电流IC和磁通密度B的乘积成正比，即：VH＝KHICBsinΘ
霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。
通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。
2．霍尔直流检测原理
如图1－2所示。由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小，即：I1∝B1∝U0
我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时，U0等于50mV或100mV。这就制成霍尔直接检测（无放大）电流传感器。
3．霍尔磁补偿原理
原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。霍尔磁补偿原理如图1－3所示。
从图1－3知道：Φ1＝Φ2
I1N1＝I2N2
I2＝NI/N2·I1
当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压。做为传感器测量电压U0即：U0＝I2RM
按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从～系列规格的电流传感器。
由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。
4．磁补偿式电压传感器
为了测量mA级的小电流，根据Φ1＝I1N1，增加N1的匝数，同样可以获得高磁通Φ1。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。
与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串联一个限流电阻R1，然后并联连接在被测电压U1上，得到与被测电压U1成比例的电流I1，如图1－4所示。
副边原理同电流传感器一样。当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压作为传感器的测量电压U0，即 U0＝I2RM
5．电流传感器的输出
直接检测式（无放大）电流传感器为高阻抗输出电压，在应用中，负载阻抗要大于10KΩ，通常都是将其±50mV或±100mV悬浮输出电压用差动输入比例放大器放大到±4V或±5V。图5－1是两个实用电路，供参考。
（a）图可满足一般精度要求；（b）图性能较好，适用于精度要求高的场合。
直检放大式电流传感器为高阻抗输出电压。在应用中，负载阻抗要大于2KΩ。
磁补偿式电流、电压磁补偿式电流、电压传感器均为电流输出型。从图1－3看出“M”端对电源“O”
端为电流I2的通路。因此，传感器从“M”端输出的信号为电流信号。电流信号可以在一定范围远传，并能保证精度，使用中，测量电阻RM只需设计在二次仪表输入或终端控制板接口上。
为了保证高精度测量要注意：①测量电阻的精度选择，一般选金属膜电阻，精度≤±0.5％，详见表1－1，②二次仪表或终端控制板电路输入阻抗应大于测量电阻100倍以上。
6．取样电压与测量电阻的计算
从前面公式知道
U0＝I2RM
RM＝U0/I2
式中：U0－测量电压，又叫取样电压（V）。
I2－副边线圈补偿电流（A）。
RM－测量电阻（Ω）。
计算时I2可以从磁补偿式电流传感器技术参数表中查出与被测电流（额定有效值）I1相对应的输出电流（额定有效值）I2。假如要将I2变换成U0＝5V，RM选择详见表1－1。
7．饱和点与最大被测电流的计算
从图1－3可知输出电流I2的回路是：V+→末级功放管集射极→N2→RM→0，回路等效电阻如图1－6。（V-～0的回路相同，电流相反）
当输出电流I2最大值时，电流值不再跟着I1的增加而增加，我们称为传感器的饱和点。
按下式计算
I2max＝V+-VCES/RN2+RM
式中：V+－正电源（V）。
VCES－功率管集射饱和电压，（V）一般为0.5V。
RN2－副边线圈直流内阻（Ω），详见表，1－2。
RM－测量电阻（Ω）。
从计算可知改变测量电阻RM，饱和点随之也改变。当被测电阻RM确定后，也就有了确定的饱和点。根据下式计算出最大被测电流I1max：I1max＝I1/I2·I2max
在测量交流或脉冲时，当RM确定后，要计算出最大被测电流I1MAX，如果I1max值低于交流电流峰值或低于脉冲幅值，将会造成输出波形削波或限幅现象，此种情况可将RM选小一些来解决。
8．计算举例：
举例1
以电流传感器LT100－P为例：
（1）要求测量
额定电流：直流
最大电流：直流（过载时间≤1分钟/小时）
（2）查表，知
工作电压：稳压±15V，线圈内阻20Ω（详见表1－2）
输出电流：（额定值）
（3）要求取样电压：5V
计算测量电流与取样电压是否合适
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）
从以上计算结果得知满足（1）、（3）的要求。
9．磁补偿式电压传感器说明与举例
LV50－P型电压传感器原边与副边抗电强度≥4000VRMS（50Hz.1min），用以测量直流、交流、脉冲电压。在测量电压时，根据电压额定值，在原边＋HT端串一限流电阻，即被测电压通过电阻得到原边电流
U1/R1＝I1、R1＝U1/10mA（KΩ），电阻的功率要大于计算值2～4倍，电阻的精度≤±0.5％。R1精密线绕功率电阻，可由厂方代订。
10. 电流传感器的接线方法
（1）直检式（无放大）电流传感器接线图如图1－7所示。
（a）图是P型（印板插脚式）接发，（b）图是C型（插座插头式）接法，VN.、VN表示霍尔输出电压。
（2）直检放大式电流传感器接线图如图1－8所示。
（a）图是P型接法，（b）图是C型接法，图中U0表示输出电压，RL表示负载电阻。
（3）磁补偿式电流传感器接线图如图1－9所示。
（a）图是P型接法，（b）图是C型接法（注意四针插座第三针是空脚）
以上三种传感器的印板插脚式接法同实物的排列方法是一致的，插座插头接法同实物的排列方法也是一致的，以免接线错误。
在以上接线图上，主回路被测电流I1在穿孔中有一箭头示出了电流正方向，实物外壳上也标明了电流正方向，这是电流传感器规定了被测电流I1的电流正方向与输出电流I2是同极性的。这在三相交流或多路直流检测量中是致关重要的。
11. 电流电压传感器的工作电源
电流传感器是一种有源模块，如霍尔器件、运放、末级功率管，都需要工作电源，并且还有功耗，图1－10是实用的典型工作电源原理图。
（1）输出地端集中接大电解上以利降噪。
（2）电容位uF，二极管为1N4004。
（3）变压器根据传感器功耗而定。
（4）传感器的工作电流。
直检式（无放大）耗电：最大5mA；直检放大式耗电：最大±20mA；磁补偿式耗电：20＋输出电流；最大消耗工作电流20＋输出电流的2倍。根据消耗工作电流可以计算出功耗。
12．电流电压传感器使用注意事项
（1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。
（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。
（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。
（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。
（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。
（6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。
（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。
（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1－10介绍的简易典型稳压电源。
（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。
（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。
13．电流传感器在使用中的优越性
（1）非接触检测。在进口设备的再改造中，以及老旧设备的技术改造中，显示出非接触测量的优越性；原有设备的电气接线不用丝毫改动就可以测得电流的数值。
（2）使用分流器的弊端是不能电隔离，且还有插入损耗，电流越大，损耗越大，体积也越大，人们还发现分流器在检测高频大电流时带有不可避免的电感性，不能真实传递被测电流波形，更不能真实传递非正弦波型。电流传感器完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做的一样，如精度0.5、1.0级，输出电压50、75mV和100mV均可。
（3）使用非常方便，取一只LT100－C型电流传感器，在M端与电源零端串入一只100mA的模拟表头或数字万用表，接上工作电源，将传感器套在电线回路上，即可准确显示主回路0～100A电流值。
（4）传统的电流电压互感器，虽然工作电流电压等级多，在规定的正弦工作频率下有较高的精度，但它能适合的频带非常窄，且不能传递直流。此外，工作时存在激磁电流，所以这是电感性器件，使它在响应时间上只能做到数十毫秒。众所周知的电流互感器二次侧一旦开路将产生高压危害。在使用微机检测中需信号的多路采集，人们正寻求能隔离又能采集信号的方法。电流电压传感器继承了互感器原副边可靠绝缘的优点，又解决了传递变送器价昂体积大还要配用互感器的缺陷，给微机检测等自动化管理系统提供了模数转换的机会。在使用中，传感器输出信号既可直接输入到高阻抗模拟表头或数字面板表，也可经二次处理，模拟信号送给自动化装置，数字信号送给计算机接口。
在3KV以上的高压系统，电流、电压传感器都能与传统的高压互感器配合，替代传统的电量变送器，为模数转换提供方便。
（5）传统的检测元件受规定频率、规定波形，响应滞后等很多因素的限制，不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代霍尔电流电压传感器，以及电流电压传感器与真有效枝AC/DC转换器组合成为一体化的变送器，已成为人们熟知最佳检测模块。另外，电子电力装置向高频化、模块化、组件化、智能化发展，使装置设计者得心应手，这将是电子电力技术史上划时代的根本性变革。
