现代检测技术论文测控 11-2 班 范国霞 1105070202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。图1 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1ˊ两根引线 加激励电压或电流，称激励电极；2、2ˊ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 10℃所流过的激励电流成为额定激励电流。以元件允许最大温升 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， 其电源内阻即为 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 1℃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 百千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 L,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 用,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=KHICB,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 UH∝ICB,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 I 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、电功率和交流电的频率。图2 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 系统结构简图 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 2× 4 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3 4 电参量的测量方法 1 电压、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。 这一平衡所建立的时间在 1μs 之内，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 为原边绕阻的内阻(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、频率等电参数的测量 由正弦交流电有功功率的定义 P=UIcosψ 可知，只要准确测量出 U，I 及电流与电压相位差 ψ，就可算出 P 与 cosψ。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 ψ 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，且转换精度高，因而测量相对准确。图5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 △ψ=Ts／TxN× 360° 。经单片机计算出功率因数 cosψ，进一步计算出有功功率 P＝UIcosψ，并将测得参数 U，I，P， cosψ，ψx 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℃的温度范围内， 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.高等教育出版社，2010 [2] 郁有文.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社，2008 [3] 张三慧.大学物理学.清华大学出版社，2010
现代检测技术论文测控 11-2 班 范国霞 1105070202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。图1 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1ˊ两根引线 加激励电压或电流，称激励电极；2、2ˊ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 10℃所流过的激励电流成为额定激励电流。以元件允许最大温升 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， 其电源内阻即为 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 1℃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 百千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 L,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 用,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=KHICB,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 UH∝ICB,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 I 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、电功率和交流电的频率。图2 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 系统结构简图 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 2× 4 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3 4 电参量的测量方法 1 电压、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。 这一平衡所建立的时间在 1μs 之内，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 为原边绕阻的内阻(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、频率等电参数的测量 由正弦交流电有功功率的定义 P=UIcosψ 可知，只要准确测量出 U，I 及电流与电压相位差 ψ，就可算出 P 与 cosψ。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 ψ 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，且转换精度高，因而测量相对准确。图5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 △ψ=Ts／TxN× 360° 。经单片机计算出功率因数 cosψ，进一步计算出有功功率 P＝UIcosψ，并将测得参数 U，I，P， cosψ，ψx 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℃的温度范围内， 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.高等教育出版社，2010 [2] 郁有文.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社，2008 [3] 张三慧.大学物理学.清华大学出版社，2010