在自動(dòng)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(bǔ)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(diǎn),能測量從直流到上百千赫茲的各種形狀的交流信號(hào),并且達(dá)到原副邊不失真?zhèn)鬟f,同時(shí)又能實(shí)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(jī)接口。
因此霍爾傳感器已廣泛應(yīng)用于微機(jī)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(duì)電參量特別是對(duì)高電壓、大電流的參數(shù)的測量。
一、測量原理
1霍爾效應(yīng)原理
如圖1所示,一個(gè)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(qiáng)度為b的磁場,若在長度方向通以電流ic則運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力的作用,正負(fù)電荷將分別沿垂直于磁場和電流的方向向?qū)w兩端移動(dòng),并*在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)穩(wěn)定的電動(dòng)勢uh,這就是霍爾電動(dòng)勢（或稱之為霍爾電壓）,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妷旱拇笮h=rib/d=khicb,其中r為霍爾常數(shù)；kh為霍爾元件的乘積靈敏度。
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(duì)于一個(gè)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(gè)參數(shù)中,已知一個(gè),就可求出另一個(gè),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(jìn)行測量。電參量的測量就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)的。
若控制電流ic為常數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，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(shí)，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(duì)直流量進(jìn)行測量，亦可對(duì)交流量進(jìn)行測量。
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(hào)，經(jīng)信號(hào)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(jī)，單片機(jī)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。
二、電參量的測量方法
1電壓、電流信號(hào)的測量
電流的測量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器（亦稱為零磁通式霍爾傳感器）如圖3所示。
當(dāng)被測電流iin流過原邊回路時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場hin這個(gè)磁場被聚磁環(huán)*，并感應(yīng)給霍爾器件，使其有一個(gè)信號(hào)uh輸出；這一信號(hào)經(jīng)放大器a放大，輸人到功率放大器中q1，q2中，這時(shí)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流io；由于此電流通過多匝繞組所產(chǎn)生的磁場ho與原邊回路電流所產(chǎn)生的磁場hin相反；因而補(bǔ)償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出電壓uh逐漸減小，zui后當(dāng)io與匝數(shù)相乘n2io所產(chǎn)生的磁場與原邊n1iin所產(chǎn)生的磁場相等時(shí)，io不再增加，這時(shí)霍爾器件就達(dá)到零磁通檢測作用。
這一平衡所建立的時(shí)間在1μs之內(nèi)，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程，即原邊回路電流iin的任何變化均會(huì)破壞這一平衡的磁場，一旦磁場失去平衡，就有信號(hào)輸出，經(jīng)過放大后，立即有相應(yīng)的電流流過副邊線圈進(jìn)行補(bǔ)償。因此從宏觀上看副邊補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時(shí)間都與原邊電流的安匝數(shù)保持相等，即n1iin=n2io，所以iin=n2i2／n1（iin為被測電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，n1為初級(jí)繞組的匝數(shù)；io為補(bǔ)償繞組中的電流；n2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)）。
由原、副邊匝數(shù)可知，只要測得補(bǔ)償線圈的電流io，即可知道原邊電流iin，如原邊為導(dǎo)線穿心式，則n1=l，iin=n2io。利用同樣的原理可進(jìn)行電壓測量，只需在原邊線圈回路中串聯(lián)一個(gè)電阻r1，將原邊電流iin轉(zhuǎn)換成被測電壓uin。即uin=（r1+rin）iin=（r1+rin）n2io／n1，rin為原邊繞阻的內(nèi)阻（一般很小不計(jì)）。對(duì)特高壓交流電壓的測量，先經(jīng)隔離變壓器降壓后，對(duì)降壓后的電壓進(jìn)行測量，然后對(duì)測量數(shù)據(jù)乘以倍數(shù)，即可得被測電壓的大小。
該測量輸出信號(hào)為電流形式io。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點(diǎn)之間串接恰當(dāng)?shù)碾娮鑢0，并在該電阻上取電壓，就構(gòu)成了電壓形式的輸出。輸出電壓經(jīng)電壓調(diào)整電路、線性放大電路、不等位補(bǔ)償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓，便于測量與顯示。
2功率及功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)的測量
由正弦交流電有功功率的定義p=uicosψ可知，只要準(zhǔn)確測量出u，i及電流與電壓相位差ψ，就可算出p與cosψ。采用傳統(tǒng)的電磁式電壓、電流互感器進(jìn)行測量，由于互感器的非理想性，除存在變比誤差外，更主要的是存在較大的相位誤差，這就使測得的ψ值不能真實(shí)地反映負(fù)載的性質(zhì)。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉(zhuǎn)換器（如ad637）等，可以使功率及功率因數(shù)的測量精度大大提高。
此外，霍爾傳感器還可以測量從直流到100khz的任意波形的交流量，從而克服了電磁式互感器有特定的額定頻率的弊端。真有效值轉(zhuǎn)換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉(zhuǎn)換為直流量，輸出直流的大小正比于交流量的有效值，且轉(zhuǎn)換精度高，因而測量相對(duì)準(zhǔn)確。
測量原理如圖4所示，交直流電壓、電流經(jīng)霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離、轉(zhuǎn)換后，得到與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，再經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流（直流電不需轉(zhuǎn)換），其大小正比于交流電的有效值，直流（或轉(zhuǎn)換后的直流）電壓經(jīng)a／d變換后送入單片機(jī)，這就采集到了u，i的大小。
另外將傳感器副邊輸出的電信號(hào)u1，u2分別經(jīng)過零電平比較器1和2，當(dāng)信號(hào)由負(fù)變正，通過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，加到門控電路輸入端。設(shè)u1超前于u2，則前者作開啟信號(hào)，后者作關(guān)閉信號(hào)。門控電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的矩形脈沖，該脈沖一路送單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器t1口，單片機(jī)測出相鄰兩個(gè)矩形脈沖前沿之間的時(shí)間間隔t，即為被測信號(hào)的周期tx（頻率fx=1／tx）。
另一路送至與門電路，打開計(jì)數(shù)與門，在此期間，時(shí)標(biāo)信號(hào)ts經(jīng)由與門至單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器to口計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為n，則u1與u2相位差為△ψ=ts／txn×360°。經(jīng)單片機(jī)計(jì)算出功率因數(shù)cosψ，進(jìn)一步計(jì)算出有功功率p＝uicosψ，并將測得參數(shù)u，i，p，cosψ，ψx等送顯示電路顯示。如要測三相電路的總功率，則分別測得每一相的功率，然后三相功率相加即可。此外，該系統(tǒng)也可測量無功功率和視在功率等電參數(shù)。
基于霍爾傳感器的電參量檢測系統(tǒng)具有很好的線性度、度和良好的反應(yīng)時(shí)間。溫度漂移小，霍爾元件在-40～+45℃的溫度范圍內(nèi)，霍爾電壓的溫度系數(shù)僅為0．03％～o．04％。
這里所介紹的測量方法達(dá)到了對(duì)電參量進(jìn)行高精度的隔離傳輸和檢測的目的，特別適合高電壓、大電流電參量的測量。這為研制一種新的電參量測量儀器打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。不足之處，霍爾元件存在不等位的電勢的影響，需加補(bǔ)償電路修正。