文章分析了霍爾元件測量發(fā)電機(jī)輸出功率的原理，并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)霍爾元件測量交流電源功率的電路，通過理論計(jì)算確定所用元件參數(shù)(交流電源、交流磁場源電路設(shè)計(jì))。根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì)，做出了一個簡單的測量裝置。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。

0引言

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall，1855—1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

霍爾電流、電壓傳感器是近十幾年發(fā)展起來的測量電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣檢測元件。電網(wǎng)中，越來越多的負(fù)載采用電源變換器供電，用普通的功率計(jì)測量這類電能有點(diǎn)困難。例如發(fā)電機(jī)運(yùn)行用的頻率變換器就是把直流電壓變換成頻率自由選擇的交流電壓。根據(jù)電機(jī)的頻率周期的變化，重復(fù)頻率可以高達(dá)20kHz，脈沖寬度在l～5O微秒范圍內(nèi)。雖然電機(jī)的電流是連續(xù)的，但是由于電機(jī)是感性負(fù)載，故電機(jī)的電壓是由許多高頻脈沖電壓組成的IS]。因此用普通的功率計(jì)不能測量脈寬調(diào)制的高頻脈沖電壓的有效值，采用霍爾效應(yīng)元件的電流測量法。因?yàn)槲挥诳刂苽?cè)的霍爾效應(yīng)元件具有把兩個高頻脈沖電量相乘的功能，只要再配上一定的放大器電路就能把結(jié)果顯示出來日。

1基本原理

圖1系統(tǒng)基本組成框圖

圖1為霍爾式發(fā)電機(jī)功率測量系統(tǒng)基本原理框圖。螺線管產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為：

B=KbIL (1)

霍爾元件的輸出電壓為：

UH=KHIeB (2)

把(1)式代入(2)式得：

UH=KbKHILIeB (3)

電機(jī)兩端電壓為：

UL=KLIe (4)

則:Ie=UL/RL (5)

將(5)式代人(3)式得：

UH=Kb/RLULILB (6)

由(6)式得出：霍爾元件測得的輸出電壓UH與電機(jī)輸出的功率ULIL成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載消耗功率的測量。那么在正弦交流電路中，電壓電流相量分別為UL，IL，它們之間相位差為φ，則：

Ie=KbUlmsinwt (7)

在負(fù)載上的電流為：

ilm=ILMsin(wt+f) (8)

其則在線圈上產(chǎn)生的垂直于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可表示為：

B=K1ILMsin(wt+f) (9)

代入式(2)得：

UH=KUlmILMcosφ-KUlmILMcos(2wt+φ)非(10)

對上式求其平均值，得：

UH=KUlmILMcosφ=KP (11)

其中，K=KHKLKB，P=UIcosf為功率。因此只要測出了UH就可以計(jì)算出負(fù)載功率P。以上介紹的為一相的功率測量方法，對于三相電路，只需用三個和圖l相同的電路進(jìn)行分別測量，然后求三個測量值的和即可。

2測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的功率測量系統(tǒng)主要以霍爾轉(zhuǎn)換器和AT89S51為核心將電路中的電壓電流乘積即電路消耗的電功率轉(zhuǎn)化為霍爾元件的電勢形式，通過測量霍爾元件的霍爾電勢得到電路的電功率值，經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等電路處理后，經(jīng)單片機(jī)AT89551根據(jù)不同時段價格計(jì)算出所用電量并送到LCD上顯示。系統(tǒng)包括霍爾元件傳感器裝置、微處理器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路等。

圖2霍爾式發(fā)電機(jī)功率測量系統(tǒng)硬件框圖

單片機(jī)AT89C51在整個系統(tǒng)中將采集的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入I/0口存儲，通過對采集的數(shù)字信號進(jìn)行計(jì)算出功率，并將結(jié)果送到LCD模塊顯示。單片機(jī)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3單片機(jī)AT89C51系統(tǒng)

圖4二階有源低通濾波器

信號調(diào)理電路由前置放大電路、低通濾波器、一階同相放大器組成，如圖4、5所示。圖6為LCD顯示電路，液晶顯示模塊采用EPSON點(diǎn)陣式EA—D20040模塊。圖7所示為A/D轉(zhuǎn)換電路，文章采用美信ICL7135轉(zhuǎn)換器芯片。

圖5一階同相放大器

圖6EA—D20040與AT89S51接口電路

圖7A/D轉(zhuǎn)換電路

3霍爾傳感器產(chǎn)品選型

3.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。對于圖2所示的半導(dǎo)體試樣，若在X方向通以電流Is，在Z方向加磁場B，則在Y方向即試樣A，A′電極兩側(cè)就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場。電場的指向取決定于測試樣品的電類型。

3.2產(chǎn)品選型

3.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

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4結(jié)束語

文章介紹的功率測量電路可用于測量變換器供電電機(jī)的功率消耗。由于這類工作電壓不是正弦波，而是脈寬調(diào)制的高頻矩形脈沖，所以這種電路適用于脈寬為1微秒的電壓，或者說脈沖重復(fù)頻率是500kHz。電壓的波形無關(guān)緊要，只要它的諧波低于2.5MHz。由于感應(yīng)電流的存在，電流的頻率不是很高，而且應(yīng)該是正弦的。當(dāng)電流頻率高于IkHz時，本設(shè)計(jì)選用的測量傳感器仍可以正常工作。由于它的峰值電流為33A，測量電壓可以高達(dá)350V(峰一峰值)，所以可以測量測量的功率高達(dá)2900W。當(dāng)用于三相電源時，這個值相當(dāng)于電機(jī)的功率為5O00w向。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。

根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz正弦波。

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