非接触式直流电流检测装置设计

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1、非接触式直流电流检测装置设计摘要随着我国特高压直流输电网络的发展，电力行业面临着各种以计算机为核心的 新技术应用的挑战，使得传统的直流电流互感器难以满足电力系统进一步发展的要 求，因此迫切需要智能化、数字化、小型化的电流互感器面世。在比较各种直流测 量原理的基础上，本文提出了基于霍尔效应检测直流电流的方法。霍尔效应传感器 检测出待测电路电流引起的磁场的大小，将磁感应强度的大小转化成相应的电压值, 然后电压信号再经过信号放大器，A/D转换送到单片机AT89C51中进行数据处理， 最后经过LCD显示出被测电流。关键词：直流检测；霍尔效应；互感器；AT89C51The Design of Non-c

2、ontact DC current sensing deviceLiYachaoAbstractWith the development of UHV DC transmission network, the power industry is facing the challenge of the computer as the core application of new technologies, traditional DC current transformer is difficult to meet the requirements of the further develop

3、ment of power system, an urgent need for intelligentdigitization, miniaturization of current transformers available. On the basis of a variety of DC measuring principle, this paper presents a method based on Hall effect to detect DC current. Hall-effect sensors to detect the size of the test circuit

4、 current caused by magnetic field, the size of the magnetic induction is converted into the corresponding voltage value, then the voltage signal through the signal amplifier, the A/D converter sent to the AT89C51 microcontroller for data processing, and finally the measured current through the LCD d

5、isplay.Key Words： DC detection; Hall effect; Transformer; AT89C51目录1. 1 本文研究意义51. 2国内外研究现状51.2.1 分流器61.2.2 电流互感器61.2.3 直流电流互感器61.2.4 空芯线圈71.2.5 磁通门电流传感器71.2.6 霍尔电流传感器71. 3本文主要任务82.1分流器原理82.2传统铁芯式直流互感器原理92.3空芯线圈传感原理112.4 霍尔电流传感器142.5 磁通门电流传感器原理152.6光学电流传感器原理172.7其他电流传感器原理183.1总体方案203.2硬件选择213.2.1电流检测

6、模块213.2.2电压放大模块233.2.3数据采集模块243.2.4单片机模块243.3硬件电路设计243.3.1电流检测与电压放大模块243.3.2数据采集模块电路253.3.2 显示模块 LCD1602264.1软件设计284.2抗干扰措施284.2.1 屏蔽294.2.2 接地301弓厝1.1本文研究意义在用计算机对大功率稳流稳压直流开关电源的电流进行遥调、遥测监控时，往 往因为计算机与开关电源不能共地和开关电源的噪声干扰，必须在计算机与开关电 源之间进行静电（直流）隔离。在隔离中，直流电流隔离检测的精度将直接影响到监 控的质量，甚至涉及到电源及用电设备的安全。由此可见，在朋计算机对开

7、关电源 的直流电流进行监控时，直流电流隔离检测的精度非常重要，必须是高精度的，否 则将无法达到监控的目的。进行静电隔离，传统方法是应用光电式传感器（如光敏 二极管、光敏三根管）实现的。但若环境温度发生变化，光敏管的暗电流和光电流 将随温度的变化而变化，因此只能实现直流隔离，而无法达到直流电流高精度的隔 离检测的目的。在上述监控系统中，由于存在着大功率开关电源，开关电源释放的 人量热鼙将使环境温度发生变化，因此在这样的环境中，采用光电式传感器只能实 现静电隔离，而无法达剑直流电流高精度的隔隔离检测的目的。在电气设备检修和自动化领域，对直流电机的电刷是否位于几何中心线、电枢 绕组的短路情况等的检查

8、都要用到直流检测技术。在自动控制系统中，直流测速发 电机的输出直流电压与转速成线性关系，因此检测它的输出电压就能间接地检测电 机的转速；在许多自动控制系统中，一些控制信号也是直流信号，需要检测，但直 流检测往往存在二个最明显的困难：一是直流测量仪表不便串入电路中；二是直流 检测电路与被测电路不能直接耦合，否则就会影响被测电路的直流工作点，即直流 检测的隔离成为问题。而用霍尔传感器检测直流信号可以较好地解决上述困难。该传感器由于磁平衡 原理自身特性所具有的优越性和霍尔元件良好的温度特性，因此传感精度高、线性 度好、温度漂移小，在温度变化的环境中，隔离检测直流电流的精度优于光耦16 倍。1.2国内

9、外研究现状常用的电流检测方法有：分流器、铁芯交流电流互感器、铁芯直流电流互感器、 空芯线圈、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器等方法，下面具体介绍这几种方法。1.2.1 分流器分流器是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压进行电流测量。利用分流器 测量电流时，是将电阻数值已知的分流器串联在被测电路里，通过测量或者观测分 流器两端的引出电压，即可获得被测电流的大小或波形。理想的制造分流器的材料 必须拥有较好的散热性能，材料的电阻率必须拥有极高的长期稳定性和可靠的温度 稳定性，制造分流器的材料有多种，比较常用的有康铜和锰铜等合金金属。分流器的原理简单，在低频率小幅值电流测量中，表现出极高的精度和较快的

10、 响应速度。工业领域中，在不涉及到测量回路与被测电流之间电隔离的场合，分流 器是将电流信号转变为电压信号的首选方案。1.2.2 电流互感器交流电流互感器的典型结构与普通变压器极其相似，它包括一个闭合铁芯和两 个绕组，在理想的情况下，如果忽略激磁电流，则原副边绕组的磁通势是相互平衡 的。交流电流互感器的传感原理简单，精度较高，其变比仅仅与原副边绕线的匝数有关， 长期稳定性和温度稳定性有保障，因此，交流电流互感器在电力系统中得到了极广 的运用。近些年来，软磁材料的发展日新月异，性能优越的坡莫合金、纳米合金以 及非晶合金等新型铁磁材料不断涌现，使得互感器的性能得到极大改善，精度不断 提高（可高达10

11、-4级），体积、重量和价格有所优化，与此同时，人们在传统电流 互感器的基础之上，采取了许多改进措施以进一步提高电流互感器的精度。1.2.3 直流电流互感器直流电流互感器利用被测直流改变带有铁芯扼制线圈的感抗，间接的改变辅助 交流电路的电流，从而来反映被测电流的大小。直流电流互感器是德国科学家克莱 麦尔教授在1936年研制成功的，是一种简单实用的直流电流检测手段。1.2.4 空芯线圈空芯线圈通常被称为Rogowski线圈，因为它是由俄国科学家Rogowski在1912 年发明的。空芯线圈往往采用将漆包线均匀的绕制在环形骨架上制成，骨架采用塑 料或者陶瓷等非铁磁材料，骨架的相对磁导率与空气中的相对

12、磁导率相同，这便是 空芯线圈有别于带铁芯的交流电流互感器的一个显著特征。1.2.5 磁通门电流传感器1933年，世界上出现了第一台磁通门磁力仪，从此，磁通门作为一种简单实 用的弱磁场测量仪器受到了人们普遍的关注，1956年我国从原苏联引入的磁通门 航空磁力仪，灵敏度高达5nT，近年来，我国自行研制在南极站上使用的CTM 2302 型磁通门磁力仪分辨率可达1nT以内。磁通门能够准确的检测磁场，自然能够实 现电流测量，但是由于磁通门能够检测的最大磁场不过数十高斯，所以磁通门在电 流测量中对象仅仅限于微弱电流。1.2.6 霍尔电流传感器霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单

13、元， 通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量。霍尔元件又被称作霍尔片， 因为它是一种半导体薄片，作为一种技术成熟且应用广泛的磁场检测元件，霍尔元 件是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基础的，是德国物理学家霍尔1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。霍尔元件是一种半导体器件，其温 度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高精度测量场合 的主要因素之一，但是，随着半导体技术的高度集成化，霍尔元件的线性度和稳定 性大幅度提高，霍尔电流传感器的应用领域进一步拓宽。总结以上电流发展历史，霍尔电流传感器是一种典型的有源型电流检测方法， 适用于从直流到中频段的任意波

14、形电流的测量，在现在的工业现场，霍尔电流传感 器是数百安培以内电流检测的首选产品。开环型霍尔电流传感器简单，闭环型霍尔 电流传感器精度较高。本设计采用霍尔电流传感器检测电流。1.3本文主要任务本设计主要任务：针对特种大功率用电设备，设计非接触电流测量装置，为掌 握用电设备电流以及功耗变化提供基础条件。本文采用霍尔传感器检测电流，要分 为两部分，其一为霍尔传感器电流测量元件原理及接口分析，其二为检测电路与嵌 入式处理器的接口设计。系统技术要求如下：3个电流测量通道；满量程的1%的电 流测量精度；电流测量范围为2A100A；电流属性为直流。本论文首先简述直流测量的主要原理，然后提出方案论证，选择合

15、适方案完成 设计，给出合理的硬件电路设计、软件系统和一些抗干扰的措施。2直流检测的主要原理对直流电流的测量方法，就其原理而言可分为两大类：一类是根据被测电流在 已知电阻上的电压来确定被测电流的大小，如分流器等；另一类是根据被测电流所 建立的磁场为基础，实际上是将电流的测量问题转变为磁场的测量问题，通过一定 的手段测量它的磁密、磁通或磁势，再经过转换得知电流的大小。根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小，由于其体积、误差、 损耗、绝缘、测量范围等方面的不足，已经难以满足现代测量的标准。根据被测电流所建立的磁场来测量电流的方法，不仅种类繁多，而且应用也十 分广泛。从物理学角度来看磁场的

16、测量方法主要有核磁共振法、霍尔效应法、电磁 感应法、磁通门法、光泵法、磁光效应法、磁膜测磁法及超导量子干涉器件法等。 此外，还有一些未得到广泛应用的磁场测量方法，如磁阻效应法、磁控管法、磁敏 二极管法、短脉冲放电法、半导体负荷浓度效应法、电子束法、阴极射线法和电子 回旋共振法等。这些方法中大部分由于各种原因的限制无法应用于测量电流的互感 器，例如设备造价太高、结构过于复杂等因素，也有些对被测磁场有特殊的要求， 所以实际上并不是所有的测量磁场的方法都可用于测量电流。本章将就目前测量领 域研究的几种主要测量原理逐一予以简单的说明，并分析了它们的优缺点。2.1分流器原理分流器是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压进行电流测量。利用分流器 测