[发明专利]一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器

说明书

本发明公开了一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，包括有传感器测量头和信号处理单元。所述传感器测量头包括由8个线圈绕组、4个L型聚磁磁芯、4个霍尔元件、4路电流源；所述信号处理单元包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路及上位机。本发明设计了基于DSP为核心的数字控制系统构成及技术实现，采用DSP作为主控制器，结合CPLD实现信息的分配；设计了控制系统的硬件电路，包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路；设计了系统应用软件。本发明可保证传感器精度和抗干扰能力，同时可增大输出功率，并通过上位机调节参数方便了调试。

技术领域

本发明属于大电流传感器领域，具体涉及一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，可用于测量交、直流电流和脉冲电流。

背景技术

传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，作为世界上应用范围最广、数量最多传感器之一的霍尔电流传感器，具有灵敏度高，精度高，温漂小，工作寿命长，可靠性、安全性高等优点。霍尔大电流传感器是市面上最常用的电流测量装置，它采用霍尔半导体元件作为磁场检测单位，通过检测原边电流产生的磁场大小来实现对原边电流的测量。霍尔电流传感器可分为开环型和闭环型两种。开环型霍尔电流传感器以磁芯作为导磁体，而将霍尔元件置于磁芯的气隙中，由于磁芯良好的导磁特性，磁芯部分的磁阻远远小于气隙的磁阻，在霍尔半导体芯片线性区间内，气隙中的磁感应强度与被测原边电流保持稳定的线性关系，测量两磁芯间气隙内的磁感应强度，结合气隙磁芯的传感系数即可获得被测原边电流的大小；但由于磁芯存在磁滞和损耗，当被测原边电流在较大范围内变化时，气隙间的磁感应强度与被测原边电流之间的线性关系将发生变化，被测原边电流越小，这种偏差越明显，因此开环型霍尔电流传感器往往精度不高，一般在10^-2级左右。闭环型霍尔电流传感器即零磁通霍尔电流传感器，是在开环型霍尔电流传感器的基础改进而来，首先在磁芯上均匀套上一个线圈绕组，其次霍尔元件的功能不再是直接检测气隙间磁感应强度的大小，而是用来检测气隙间剩余磁通，霍尔元件输出的霍尔电势控制驱动一定大小的电流通过线圈绕组，使气隙中的霍尔元件始终处于动态的零磁通环境中。当测量电流时，线圈绕组与被测原边电流具有良好的线性关系，比例系数为线圈绕组的绕线匝数与被测原边电流绕线匝数之比，通过检测线圈绕组中的电流大小即可求得被测原边电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠，可干扰能力强，准确度可高达10^-3级。综上所述，开环型霍尔电流传感器具有气隙磁芯的非线性，准确度不高，动态范围小，响应速度慢等缺点；然而闭环型霍尔电流传感器很好的解决了开环型存在的不足，因而得到了广泛的应用。

霍尔效应最早是在研究通电金属与磁场的关系时发现的，后来人们采用半导体材料取代了金属材料取得了较好的效果。具体产生的过程为：将通电的半导体材料放入磁场中，磁场的方向与电流方向夹角成90度放置，这时由于导体中载流子受到洛伦兹力作用会发生偏移，在半导体薄片的两边会产生一个电压差，在电场及磁场力的作用下载流子的运动达到一个平衡状态，这一过程即为霍尔效应产生的过程，产生的电压称之为霍尔电势，霍尔电势V_h为：

V_h＝K_h*I*B＝R_h/d*f(L/b)*I*B (1)

式中：I——通过霍尔元件的电流

B——垂直霍尔元件的磁感应强度

K_h——霍尔材料灵敏度系数

K_h＝R_h/d*f(L/b) (2)

其中：R_h——霍尔系数

L、b、d——霍尔元件的长、宽、高

f(L/b)——修正系数