发表于：2004/9/20 23:01:00
#0楼
摘要 本文介绍一种新型的大电流测量传感器，它不仅取代大型的传流式互感器，还可节省大量的电源，是非常有前途的新型传感器。
关键词 霍尔传感器 磁场效应
1 前言
目前，在我国冶金、化工、电解、炼钢、电镀等工业部门，直接要用强大的直流电流进行生产，但测量这些大电流的直流电流传感器，大部分是采用电流互感器做变送器去推动后继指针式电流表。这种方法存在以下缺点：
（1） 耗能大
每台大型的互感器相当于一个大的耗能电炉，长期安装在电路中要耗掉大量的电能。
（2） 精度低
目前，我国生产的大电流直流互感器精度仅达到0．3级，（实际现场使用仅有0．5级），同时二次大电流指针式仪表精度低（最高仅在0．5%左右），再加上人们用肉眼读数时表针造成的偏差，从而整个测量系统中的精度只能在1．0级左右（或更差）。
（3） 成本高
由于直流互感器采用大量的铜线绕成，从而使制造成本较高。
（4） 体积大，重量大，安装麻烦
因此人们研制了一种新型的测量传感器。
2 工作原理
针对目前大电流测量仪表存在的问题，人们使用霍尔电流传感器取代了笨重的电流互感器，用高精度的数字式仪表取代了精度低的指针式仪表。
当母线通过电流时，在母线周围便产生一个磁场，利用高导磁材料的铁芯，并采用磁屏蔽系统的多气隙结构，把霍尔元件安装在铁芯的缝隙中，让磁力线垂空过霍尔元件表面，通过霍尔元件检测出气隙中的磁感应强度，从而把母线周围的磁信号转变成电信号。
当母线中电流改变时，根据毕奥沙伐定律，铁芯缝隙中的磁感应强度也要随电流成一定的比例关系发生变化，这样霍尔元件的输出电压也随之相应的改变，通过比例放大电路进行放大，使放大后电压信号恰好等于母线中流过的大电流值（或成倍数关键），然后提供数字显示仪表，这样数字显示电压面板表就能准确地显示出母线中的电流值。
3 几个实际问题
3．1 电路方面的问题
本传感器的比例放大电路分为几级，使得传感器不仅能测量大电流（10kA左右），同时同时还可以利用高档量程测量母线电流极小的情况（1～10A）。而目前大电流的指针式仪表，由于受表盘刻度和指针转动磁矩的限制，当母线电流很小时，表头上显示不出来。
对于霍尔电流传感器的不等位电势的消除，本仪表在电路上利用互补调零的方法，避免了以往采用的反向电压抵消的方法，由于此方法没有在霍尔元件输出端外加抵消电压，不致使霍尔元件输入电流叠加外偏电流，从而使传感器的稳定性和线性度都不受影响。其高精度和高稳定性，不仅要求传感器线性度、温度特性、稳定性等要好，同时对比例放大、恒流源和工作电源等电路的这几种性能也要求较高。对于0．5级以上的传感器，需采用低漂移、高精度的集成运算放大器做比例放大。对于整个仪表的稳定性，传感器的工作电流稳定是非常关键的，因为传感器的输出电压正比于工作电流，所以恒流源的稳定度决定着输出信号的稳定程度，其恒流源的稳定度需高于万分之五。电流显示部分根据不同精度和量程的要求，一般推荐采用3位半或4位半数字面板表。
3．2 磁屏蔽方面的问题
实际工业上用的大电流场合，一般是用多根母线。采用本传感器测量时要考虑其它母线电流产生的磁场对被测量母线磁场的影响。由于这一影响，会使测量精度变差。
解决的方法是采用在传感周围加磁屏蔽装置和调整母线之间距离，从而消除外界磁场和彼此磁场的影响。对于5kA以上大直流电流，在传感器的铁芯上还可开更多的缝隙，以相应增加磁路长度，扩大测量电流的范围。另外，还可采用一个传感器用多个霍尔元件，以增大传感器的一次输出信号和抗干扰能力，提高测量精度。
3．3 提高精度
目前本传感器已达到的精度完全能满足当前工业上做检测仪表的使用要求。
如果做为计量部门、科研单位做标准校验仪表，精度要求高。提高精度的关键在于霍尔传感器的温度系数和线性度、精度以及后部电路的性能。若采用我们最近研制采用的高效温度和零点补偿电路（温度系数＜0.01%/℃ ＝可以使整个测量仪表的精度达到0．2级以上。
4 本传感器的多功能性
本传感器配套二次仪表（除传感器外的部分），不仅能用于测量电流，还可以测量功率和磁场等。只要将电流传感器的工作电流1直接由测母线上分配来提供，那么传感器的输出电压VH就正比于母线电流IL与母线压VL的乘积，从而二次仪表显示出来的就是电网中的功率值。
5 传感器的特点与节能效果
霍尔电流传感器与直流互感器相比，具有以下特点：
（1）测量精度高
精度可达到0．2级，比老式直流互感器高2～3倍。
（2）温度特性好
由于采用性能好的GaAs霍尔元件制成，使传感器的温度系数达到0．05%/℃，环境温度范围可允许在较宽的范围内变化。而互感器的铜线绕组随温度升高而阻抗增大，从而精度大大降低，使用温度范围受到限制。
（3）节能特别显著
本装置的传感器几乎不耗能，它只需提供数十毫安的工作电流，特别是对大量程传感器，节能更为显著，它的功耗仅是同量程直流互感器的0．5%左右。
（4）本装置与被测量电路绝缘性能优异，不仅没有功率损耗，同时也少有热效应，并在所测量电路中不引入外加负载。
（5）量程宽，不存在因电流过载而烧坏传感器的现象。
（6）体积相对较小、重量轻。
一台同容量的霍尔电流传感器的重量仅是直流互感器重量的5%，而且传感器可采用可拆卸式结构，安装时不用断开母线，使用、维护都非常方便。
（7）成本低廉
由于霍尔电流传感器不使用任何铜线绕组，从而节省了大量的铜，它的成本仅是互感器的1/2左右。
6 结束语
这种传感器不仅能测直流，还可测交流、功率、电压、电流小时、电量等。可以预测，采用霍尔传感器作传感部分的各种仪表，将被广泛地应用在各个领域中。
（具体参数可见南京中旭电子科技有限公司：HDC10000HA型系列霍尔电流传感器）
