【摘要】直流電流是電氣測量中常見(jiàn)的被測量，檢測方法主要有直接式和非直接式。其中直接式是利用分流器，非接觸 式是利用霍爾電流傳感器或直流電流互感器。相比較而言霍爾電流傳感器在精度、線(xiàn)性度等方面具有優(yōu)勢，所以成為直 流電流檢測領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。文章針對霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】霍爾傳感器；電流檢測；霍爾效應

引言

隨著(zhù)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，直流電的應用范圍變得日益廣泛。相應的直流電流也就成為一個(gè)重要的檢測量?；魻栯娏鱾鞲衅髟诰C合了分流器和直流電流互感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有效避免了兩者存在的缺陷，是一種先進(jìn)的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電測量元件，且具有精度高、線(xiàn)性好、響應快的優(yōu)點(diǎn)。文章簡(jiǎn)單介紹了霍爾電流傳感器的工作原理及種類(lèi)，重點(diǎn)探討了其在直流電流檢測中的應用。

一、霍爾電流傳感器的分類(lèi)及工作原理

1.霍爾效應

霍爾電流傳感器是霍爾傳感器的一種，是基于霍爾效應制造的一種磁場(chǎng)傳感器。圖１為霍爾效應的原理圖。

圖1 霍爾效應原理圖

圖１中UH為霍爾電勢

UH＝（R_H/d）I_HB

式中，R_H為霍爾系數，由元件材料的性質(zhì)決定，通過(guò)霍爾效應實(shí)驗可獲得；B為磁感應強度；d為材料厚度。

2.霍爾電流傳感器的種類(lèi)及工作原理

霍爾傳感器的測量屬于間接測量，可對各種類(lèi)型的電流進(jìn)行測量，從直流到幾十千赫茲的交流。根據其結構可分為開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種。

（1）開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器

圖２ 開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器

通過(guò)對圖2分析，可以了解到開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器主要是由磁芯、霍爾元件和放大電路三部分構成。其中在磁芯上有一個(gè)開(kāi)口氣隙，霍爾元件置于氣隙處。當有電流IP流過(guò)原邊導體時(shí)，會(huì )在導體周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)強度與電流大小成正比的磁場(chǎng)，磁力線(xiàn)被磁芯聚集在氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應強度成正比的電壓信號，再由放大電路將該信號進(jìn)行放大并輸出。這一類(lèi)傳感器一般情況下可輸出±10V左右的電壓信號。為了增強傳感器的電磁兼容性，傳感器也可將 電壓信號變換為電流信號輸出。

（2）閉環(huán)式霍爾電流傳感器

如圖3所示，閉環(huán)式霍爾電流傳感器主要是由磁芯、霍爾元件、放大電路和副邊補償繞組四部分組成。在工作過(guò)程中，放大電路接收到霍爾元件的輸出并放大為電流信號提供給副邊補償繞組，副邊補償繞組會(huì )在磁芯中產(chǎn)生一個(gè)與原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在氣隙處大小相等，方向相反的磁場(chǎng)，將原有磁場(chǎng)抵消，構成負反饋閉環(huán)控制電路。

圖3 閉環(huán)式霍爾電流傳感器

若在檢測過(guò)程中如果副邊電流太小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)無(wú)法抵消原邊磁場(chǎng)，則放大電路會(huì )根據情況輸出更大的電流；反之，放大電路會(huì )根據情況降低輸出電流，實(shí)現氣隙處磁場(chǎng)的平衡。當原邊電流發(fā)生變化時(shí)，會(huì )破壞氣隙處磁場(chǎng)的平衡，相應地負反饋閉環(huán)控制電路會(huì )及時(shí)對副邊輸出電路機械能調節，使磁場(chǎng)快速恢復平衡。從理論上講，磁芯的氣隙處在檢測過(guò)程中將始終保持零磁通狀態(tài)，這就是零磁通互感器及磁平衡霍爾電流傳感器名稱(chēng)的來(lái)由。

3.開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式的區別

兩者的區別主要是體現在檢測帶寬和檢測精度， 閉環(huán)式的檢測帶寬可達到100kHz，而開(kāi)環(huán)式只能夠達到3kHz；開(kāi)環(huán)式的檢測精度通常劣于1%，而閉環(huán)式的檢測精度可達到0.2%。

二、霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用

通過(guò)前面關(guān)于開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種傳感器帶寬和精度的比較，可以清晰地認識到閉環(huán)式傳感器在直流電流檢測中具有更為廣闊的應用前景。下面以CSC5G型閉環(huán)式霍爾傳感器為例分析其在直流電流檢測過(guò)程中的應用。這一類(lèi)型的傳感器能夠對800／1000／2000／3000／4000／6000A多個(gè)等級的電流進(jìn)行測量。具體性能參數為：線(xiàn)性范圍在1.5倍的額定電流；精度及線(xiàn)性度在±1%；失調電壓<±20mV；磁滯誤差<±10mV；反應時(shí)間<10μs（di/dt＝50A/μｓ）等。

1.應用過(guò)程中需要注意的問(wèn)題

（1）電流傳感器的穿心導體能夠充滿(mǎn)孔徑，根據傳感器孔徑不同可合理選擇銅排或銅棒等。

（2）在傳感器的安裝位置附近沒(méi)有強磁場(chǎng)，諸如變壓器、大電流導體等。

（3）在電磁干擾較大的環(huán)境中應盡量選擇二次輸出為電流信號的傳感器，且電流信號盡可能大。

（4）注意與準確度有關(guān)的技術(shù)指標，如零點(diǎn)輸出誤差、基本誤差、線(xiàn)性度誤差、回差、重復性誤差等。

（5）注意運行環(huán)境溫度變化。由于霍爾元件是用半導體材料制成，溫度變化會(huì )影響霍爾元件內阻變化， 所以在傳感器設計時(shí)要針對性的設計溫度補償電路。

2.提高檢測精度的方法

在實(shí)際應用過(guò)程中除了安裝接線(xiàn)、即時(shí)標定校準、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過(guò)下面幾個(gè)方法還可以進(jìn)一步提高檢測精度：

（1）原邊導線(xiàn)應放置于傳感器內孔中心，盡可能不要放偏；

（2）原邊導線(xiàn)盡可能*放滿(mǎn)傳感器內孔，不要留有空隙；

（3）需要測量的電流應接近于傳感器的標準額定值IPN，不要相差太大。

3.未來(lái)發(fā)展趨勢

針對閉環(huán)式霍爾電流傳感器應用過(guò)程中的不足情況，研究人員進(jìn)行了針對性改進(jìn)研究，相關(guān)成果有集磁極霍爾傳感器、智能閉環(huán)霍爾傳感器等。其中集磁極霍爾傳感器是在芯片表面附著(zhù)一個(gè)由高磁導率和低矯頑磁場(chǎng)的鐵磁體制成的鐵磁層，以此來(lái)提高其性能；智能閉環(huán)霍爾電流傳感器則是通過(guò)利用先進(jìn)的數據采集、分析系統，對傳感器所處環(huán)境的環(huán)境溫度及電流傳感器的輸出信號進(jìn)行采集并上傳至后臺機，由后臺機進(jìn)行自動(dòng)修正，輸出更為精確的檢測信號。

三、安科瑞霍爾型傳感器的選型

1.概述

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過(guò)霍爾效應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，廣泛應用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動(dòng)、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制，具有響應時(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過(guò)載能力強，線(xiàn)性好，抗干擾力強等優(yōu)點(diǎn)。  

2.應用場(chǎng)所

霍爾電流傳感器控制從可再生能源系統發(fā)送到電網(wǎng)的能量的流量和波形。他們測量電流以幫助風(fēng)車(chē)，太陽(yáng)能，光伏或其他類(lèi)型的裝置以較大效率工作。

3.可再生能源的典型應用：

太陽(yáng)能

風(fēng)電

水電

燃料電池

地熱發(fā)電

潮汐能

4.安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型說(shuō)明

5.安科瑞霍爾傳感器應用場(chǎng)景示意圖

四、結束語(yǔ)

霍爾電流傳感器的結構小巧、檢測精度高、相關(guān)的電氣回路簡(jiǎn)單，對于推動(dòng)檢測系統的微型化、集成化有著(zhù)積極的作用。但是在實(shí)際的應用過(guò)程中發(fā)現存在易受干擾、對工作環(huán)境和電氣環(huán)境要求較高等問(wèn)題，需要在相關(guān)方便深入研究，進(jìn)一步提高其應用性能。

參考文獻

[1] 宋蘇臣，袁野．基于電流檢測的霍爾傳感器應用［Ｊ］．工程技術(shù)，2016，（6）.

[2] 李樹(shù)成.直流電流檢測中霍爾傳感器的應用.

[3] 企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.5版.