基于霍爾傳感器電參量測量系統(tǒng)的設(shè)計

在自動測控系統(tǒng)中，常需要測量和顯示有關(guān)電參量。目前大多數(shù)測量系統(tǒng)仍采用變壓器式電壓、電流互感器，由于互感器的非理想性，使得變比和相位測量都存在較大的誤差，常需要采用硬件或軟件的方法補償，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。采用霍爾檢測技術(shù)，可以克服互感器這些缺點，能測量從直流到上百千赫茲的各種形狀的交流信號，并且達到原副邊不失真?zhèn)鬟f，同時又能實現(xiàn)主電路回路和電子控制電路的隔離，霍爾傳感器的輸出可直接與單片機接口。因此霍爾傳感器已廣泛應(yīng)用于微機測控系統(tǒng)及智能儀表中，是替代互感器的新一代產(chǎn)品。在此提出了利用霍爾傳感器對電參量特別是對高電壓、大電流的參數(shù)的測量。

l 測量原理
1．1 霍爾效應(yīng)原理
如圖1所示，一個N型半導(dǎo)體薄片，長度為L，寬度為S，厚度為d，在垂直于該半導(dǎo)體薄片平面的方向上，施加磁感應(yīng)強度為B的磁場，若在長度方向通以電流Ic則運動電荷受到洛倫茲力的作用，正負電荷將分別沿垂直于磁場和電流的方向向?qū)w兩端移動，并聚集在導(dǎo)體兩端形成一個穩(wěn)定的電動勢UH，這就是霍爾電動勢(或稱之為霍爾電壓)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾電壓的大小UH=RIB／d=KHICB，其中R為霍爾常數(shù)；KH為霍爾元件的乘積靈敏度。

1．2 用霍爾傳感器測量電參量的原理
由霍爾電壓公式可知：對于一個成型的霍爾傳感器，乘積靈敏度KH是一恒定值，則UH∝ICB，只要通過測量電路測出UH的大小，在B和IC兩個參數(shù)中，已知一個，就可求出另一個，因而任何可轉(zhuǎn)換成B或J的未知量均可利用霍爾元件來測量，任何轉(zhuǎn)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(jù)這一原理實現(xiàn)的。若控制電流IC為常數(shù)，磁感應(yīng)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(yīng)強度B為常數(shù)，IC與被測電壓成正比，可制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(shù)、電功率和交流電的頻率。
由UH=KICB可知：若IC為直流，產(chǎn)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(dāng)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。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖2，被測量經(jīng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇，通過A／D轉(zhuǎn)換器送給單片機，單片機采用89C51，是該系統(tǒng)的主控器，鍵盤選用2×4鍵盤，用于選擇被測量的種類，采用數(shù)碼管或液晶顯示被測量的大小。