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1、zozozoson绪论现代技术关于速度的测量方法多种多样其中包括线速度和角速 度两个方面，速度和转速测量在工业农业、国防中有很多应用，如汽 车、火车、轮船及飞机等行驶速度测量；发动机、柴油机、风力发电 机等输出轴的转速测量等等。其中有微积分转换法，线速度与角速度 转换方法，时间位移方法等等，下面我所介绍的是霍尔传感器对于速 度的测量方法。霍尔式传感器是基于霍尔效应原理设计的传感器关键字：霍尔效应，霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍 尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太 弱而没有得到应用，随着半导体技术的发展，开始用半导体材
2、料制成 霍尔元件，由于他的霍尔效应显著而得到了应用和发展。在了解霍尔 传感器之前先了解一下什么是霍尔元件以及它的基本特性。霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图1所示。x2知)结构示意图(b)符号图1霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1两根引线 加激励电压或电流，称激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称霍 尔电极。霍尔元件的壳体是用非到此金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图1(b)所示。霍尔元件的基本特性(1)额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温度升 高10C所流过的激励电流成为额定激励电流。以元件允许最
3、大温升 为限定的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增 加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要 知道元件的最大允许激励电流。(2 )输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻称为输入电阻。霍 尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源阻即为输 出电阻。(3 )不等位电势及不等为电阻 当霍尔元件的激励电流为I时， 若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际 不为零。这是测得的空载电势称为不等位电势。(4 )寄生直流电势 再外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时， 霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直 流电势。(5)霍尔
4、电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下温度 每变化1C时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。他同 时也是霍尔系数的温度系数。霍尔传感器测速原理：电流的测量采用磁平衡式霍尔电流传感器传感器可测量从直 流到100kHz的交流量在自动测控系统中，常需要测量和显示有关电 参量。目前大多数测量系统仍采用变压器式电压、电流互感器，由于 互感器的非理想性，使得变比和相位测量都存在较大的误差常需要采 用硬件或软件的方法补偿,从而增加了系统的复杂性。采用霍尔检测技术，可以克服互感器这些缺点，能测量从直流到上 百干赫兹的各种形状的交流信号，并且达到原副边不失真传递，同时又 能实现主电路回路和电子控制电
5、路的隔离，霍尔传感器的输出可直接 与单片机接口。因此霍尔传感器已广泛应用于微机测控系统及智能仪表中，是替 代互感器的新一代产品。在此提出了利用霍尔传感器对电参量特别是 对高电压、大电流的参数的测量。l测量原理霍尔效应原理 如图2所示，一个N型半导体薄片，长度为匚宽度 为S,厚度为d,在垂直于该半导体薄片平面的方向上，施加磁感应强度 为B的磁场，若在长度方向通以电流Ic则运动电荷受到洛伦兹力的作 甩正负电荷将分别沿垂直于磁场和电流的方向向导体两端移动，并在 导体两端形成一个稳定的电动势UH,这就是霍尔电动势（或称之为霍 尔电压），这种现象称为霍尔效应。霍尔电压的大小UH = RIB/d = KH
6、ICB,其中R为霍尔常数；KH为霍尔元件的乘积灵敏度。2用霍尔传感器测量电参量的原理由霍尔电压公式可知：对于一个成型的霍尔传感器乘积灵敏度KH是一恒定值，则UHICB,只要通过测量电路测出UH的大小,在B 和IC两个参数中，已知一个，就可求出另一个，因而任何可转换成B或J 的未知量均可利用霍尔元件来测量，任何转换成B和【乘积的未知量亦 可进行测量。电参量的测量就是根据这一原理实现的。若控制电流IC为常数，磁感应强度B与被测电流成正比，就可 以做成霍尔电流传感器测电流，若磁感应强度B为常数，IC与被测 电压成正比，可制成电压传感器测电压，利用霍尔电压、电流传感器 可测交流电的功率因数、电功率和交
7、流电的频率。由UH = KICB可知：若IC为直流，产生磁场B的电流IO为交流时，UH为交流；若IO亦为直流，则输出也为直流。当IC为交流，IO亦为直流时，输出与IC同频率的交流且其幅值与被测直流IO大小成正比，改变被测电流IO的方向，输出电压UH极性随之改变。故利用霍尔传感器，既可对直流量进行测量，亦可对交流量进行测量。3系统结构简I检测系统构成如图3，被测量经霍尔传感器转换为电压信号，经 信号调理电路和多路转换开关选择，通过A/D转换器送给单片机， 单片机采用89C51，是该系统的主控器，键盘选用2x4键盘，用于选择被测量的种类，采用数码管或液晶显示被测量的大小。图34电参量的测量方法1电
8、压、电流信号的测量电流的测量可采用磁平衡式霍尔电流传感器（亦称为零磁通式霍 尔传感器）如图4所示。图4当被测电流IIN流过原边回路时，在导线周围产生磁场HIN这 个磁场被聚磁环，并感应给霍尔器件，使其有一个信号UH输出；这 一信号经放大器A放大，输人到功率放大器中Q1，Q2中，这时相 应的功率管导通，从而获得一个补偿电流IO；由于此电流通过多匝 绕组所产生的磁场HO与原边回路电流所产生的磁场HIN相反；因 而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出电压UH逐渐减小，最后当 IO与匝数相乘N2IO所产生的磁场与原边N1IIN所产生的磁场相等 时，IO不再增加，这时霍尔器件就达到零磁通检测作用。这一平衡
9、所建立的时间在1ps之，这是一个动态平衡过程，即 原边回路电流IIN的任何变化均会破坏这一平衡的磁场，一旦磁场失 去平衡，就有信号输出，经过放大后，立即有相应的电流流过副边线 圈进行补偿。因此从宏观上看副边补偿电流的安匝数在任何时间都与 原边电流的安匝数保持相等，即N1IIN = N2IO，所以IIN = N2I2/ N1（IIN为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1为初级绕组的 匝数；IO为补偿绕组中的电流；N2为补偿绕组的匝数）。由原、副边匝数可知，只要测得补偿线圈的电流IO,即可知道 原边电流IIN，如原边为导线穿心式，则N1 = l，IIN = N2IO。利用同 样的原理可进行电压
10、测量，只需在原边线圈回路中串联一个电阻R1， 将原边电流IIN转换成被测电压UIN。即UIN = （R1 + RIN）IIN = （R1 + RIN）N2IO / N1, RIN为原边绕阻的阻（一般很小不计）。对特高 压交流电压的测量，先经隔离变压器降压后，对降压后的电压进行测 量，然后对测量数据乘以倍数，即可得被测电压的大小。该测量输出信号为电流形式IO。若在霍尔电流传感器的输出电 路与电源零点之间串接恰当的电阻R0,并在该电阻上取电压，就构 成了电压形式的输出。输出电压经电压调整电路、线性放大电路、不 等位补偿电路、射集跟随等获得所需的电压，便于测量与显示。5功率及功率因数.频率等电参数的
11、测量由正弦交流电有功功率的定义P=UIcos可知，只要准确测量出 U , I及电流与电压相位差中，就可算出P与cos。采用传统的电磁 式电压、电流互感器进行测量，由于互感器的非理想性，除存在变比 误差外，更主要的是存在较大的相位误差，这就使测得的中值不能真 实地反映负载的性质。若采用霍尔电压、电流传感器及真有效值转换 器（如AD637）等，可以使功率及功率因数的测量精度大大提高。此外，霍尔传感器还可以测量从直流到100kHz的任意波形的交 流量，从而克服了电磁式互感器有特定的额定频率的弊端。真有效值 转换器可以将正弦波形或任意波形的交流量转换为直流量，输出直流的大小正比于交流量的有效值，且转换
12、精度高，因而测量相对准确。2亡打姓值变挽耕-罢转换升归微仆变换器美计数心图5植时间7DICPDF测量原理如图5所示，交直流电压、电流经霍尔电流传感器、霍 尔电压传感器隔离、转换后，得到与之对应的电压信号，再经真有效 值转换器转换为直流（直流电不需转换），其大小正比于交流电的有效 值，直流（或转换后的直流）电压经A / D变换后送入单片机，这就采 集到了 U , I的大小。另外将传感器副边输出的电信号U1, U2分别经过零电平比较 器1和2,当信号由负变正，通过零点时产生一个脉冲，加到门控电 路输入端。设U1超前于U2，则前者作开启信号，后者作关闭信号。 门控电路产生一个脉冲宽度对应于两个信号相
13、位差的矩形脉冲，该脉 冲一路送单片机的定时/计数器T1 口，单片机测出相邻两个矩形脉 冲前沿之间的时间间隔t，即为被测信号的周期Tx（频率fx=1 /Tx）。另一路送至与门电路，打开计数与门，在此期间，时标信号Ts经由与门至单片机的定时/计数器TO 口计数，设计数值为N，则 U1与U2相位差为 W=Ts /TxNx360o经单片机计算出功率因数 cos，进一步计算出有功功率P = UIcos，并将测得参数U , I, P, cosw，职等送显示电路显示。如要测三相电路的总功率，则分别测 得每一相的功率，然后三相功率相加即可。此外，该系统也可测量无 功功率和视在功率等电参数。基于霍尔传感器的电参量检测系统具有很好的线性度、精确度和 良好的反应时间。温度漂移小，霍尔元件在-40+45的温度围， 霍尔电压的温度系数仅为0.03%O.04%。这里所介绍的测量方法达到了对电参量进行高精度的隔离传输 和精确检测的目的，特别适合高电压、大电流电参量的测量。这为研 制一种新的电参量测量仪器打下了一个良好的基础，在工程上具有一 定的应用价值。不足之处，霍尔元件存在不等位的电势的影响，需加 补偿电路修正。参考文献1 周杏鹏.现代检测技术.高等教育，20102 郁有文.传感器原理及工程应用.电子科技大学，20083 三慧.大学物理学.清华大学，2010
