传感器课程设计霍尔电流传感器设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 传感器课程设计说明书霍尔电流传感器设计 学生学号： 3090302035 专业班级： 测控技术与仪器0902班 学生姓名： 李 玉 婷 教师姓名： 鲍丙豪 2012年 01 月131.绪论1.1概述传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时，我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。霍尔电流传感器具有如下优点：1. 测量范围广：它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映。2. 响应速度快：最快者响应时间只为1us。3. 测量精度高：其测量精度优于1%，该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性元件，接入后影响被测信号波形，其一般精度为3%5%，且只适合于50Hz 正弦波形。4. 线性度好：优于0.2% 。5. 动态性能好：响应时间快，可小于1us;普通互感器的响应时间为1020ms。6. 工作频带宽：在0100KHz 频率范围内的信号均可以测量。7. 可靠性高，平均无故障工作时间长：平均无故障时间5 10 小时。 8. 过载能力强、测量范围大：0-几十安培上万安培 。9. 体积小、重量轻、易于安装。由于霍尔电流电压传感器以上的优点，故而可广泛应用与变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中。因此，我们有必要对霍尔电流传感器进行进一步的了解，了解其硬件组成，了解其工作原理，了解其误差来源等。本课程设计过程中，我们将自行制作一个霍尔电流传感器，并用其检测电流。1.2设计任务书采用集成霍尔传感器制作电流传感器，具体要求如下：用集成的霍尔传感器制作用带空气隙的环形磁芯电流传感器。磁场由绕在磁芯上的电流线圈产生，该磁场被磁芯聚集后作用在霍尔元件上，霍尔元件将磁场变电压。要制作电路消除零场的电压，再进行放大，用数字电压表显示被测值。2.方案设计2.1原理简述绕在铁芯上的线圈在通电流时在铁芯中产生磁场，通上电流的集成霍尔元件在磁场的作用下，产生霍尔电动势，将产生的微小的霍尔电动势接入放大电路中，然后用数字电压表检测。通过数字读出数字电压报表的读数即可知道被测电流小。r 上式中：Hg 表示空隙中的磁场强度 Hm表示铁芯中的磁场强度 N表示线圈匝数 Sg表示磁芯两级所对的空隙的截面积 Sm表示铁芯的截面积 Bg表示空隙中的磁感应强度 Bm表示铁芯中的磁感应强度由上述公式得： 原理图、实物图和电路图如下所示： 图 1 霍尔电流传感器原理图 图2 霍尔电流传感器实物图图3 霍尔电流传感器电路图2.2芯片CA3140CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点。(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放。 图 芯片CA3140引脚分布图 引脚功能表: 引脚号 功能 引脚号 功能 1 OFFSET NULL 偏置(调零端) 5 OFFSET NULL 偏置(调零端)， 2 INV. INPUT 反向输入端 6 OUTPUT输出 3 NON-INV INPUT 同向输入端 7 V+ 电源+4 V- 电源- 8 STROBE 选通端 2.3集成霍尔元件3053输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图所示，可见，在B1B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。 图 磁场与输出电动势的关系 霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压 式中，S为乘积灵敏度，mV(mTmA)；Ic为工作电流，mA；B为磁感应强度，mT。本设计中，将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里，并将霍尔元件和集磁环固定，这样可以感应出更大、更稳定的霍尔电势。式(1)中，当S与Ic一定，则Vh与B有直接线性关系。通电导体周围必然产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式BdI=0I0得： 式中，0为真空磁导率，。 根据安培回路定律，可得到这种磁路形式的电流与磁场的关系 由式(6)可知，根据霍尔元件的乘积灵敏度S，工作电流Ic，真空磁导率0，被测电流I0，缠绕匝数N1，气隙长度l2，便可计算出霍尔电压Vh。而且可知，气隙长度l2越小，霍尔电压Vh越大，所以气隙应以刚好卡住霍尔元件为宜。2.4铁芯结构 内径：20mm 外径：32mm 厚度：10mm3单元电路设计3.1放大电路 由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号，输出一般为几毫伏的电压，需对其进行放大。这里采用CA3140型仪器放大器，它通过改变电阻而改变放大倍数。CA3140的2、6引脚之间通过跨接1只100k的电阻来调整放大倍数。CA3140的引脚7、4分别接+12V、-12V的工作电压。其引脚3接至10k的电阻，构成放大十倍的放大关系，引脚2接可调电阻器后接地，可调电阻可用来平衡电路。图3.2不等位电势的消除由于霍尔元件的其中两只引脚被认为的链接起来，从而造成了较大的不等位电势，我们需要消除它。通过测量，本实验所采用的霍尔元件的不等位电势为3.1V。通过可调节电阻和电阻的组合链接，从5V的恒定电压源上取出3.1V的电压。通过链接四个等值电阻和CA3140运放，构成减法器。正出入端接霍尔元件输出电压Ui，负输入端接入调节好的3.1V电压，这样得到的输出便是Ui-3.1，从而消除了不等位电势对实验结果测量的影响。图3.3失调电路如果运放两个两个输入端上的电压均为0V，则输出端的电压也应该为0V。但事实上，输出端总有一些电压，该电压称为失调电压。如果将输出端的失调电压除以电路的噪声增益，得到的结果称为输入失调电压。失调电压被等效成一个与运放反相输入端串联的电压源，必须对放大电路的两个输入端施加差分电压，以产生0V输出。失调电路如图所示。 图 CA3140 失调电路4 实验结果4.1实验数据获取与分析用制作完成的霍尔电流传感器接至电流源上，改变电流的大小，读出数字电压表上的数据，记录在表格内。并且用MATLAB进行绘图和直线拟合，求出线性度。表1 输入电流与输出电压的数据记录电流/mA电压/V电流/mA电压/V-4-13.6-3.5-13.62-3.5-13.6-3.44-13.62-3-12.08-3-12.15-2.5-10.15-2.5-10.22-2-8.18-2-8.22-1.5-6.2-1.5-6.21-1-4.15-1-4.2-0.5-2.15-0.5-2.17-0.02-0.0601-0.02-0.079400.025300.0190.020.03140.020.02310.512.060.52.140.984.0414.111.56.081.56.1528.0728.092.59.962.511.01311.26311.383.511.263.511.38图 MATLAB中对实验中获取的数据进行描点与直线拟合（第一组数据）图 MATLAB中对实验中获取的数据进行描点与直线拟合（第二组数据）由MATLAB拟合直线可知该霍尔电流传感器的灵敏度约为3.8。4.2误差分析首先是集成霍尔元件本身有一定的不稳定性。然后是运放受到前后电路的影响，电路的电阻并没有配至平衡。最后还有给运放提供工作电压的电压源并不是提供数值相等的电压，导致运放工作缺乏一定的稳定性。5 总结参考文献1 卢文科，朱长纯，方建安.霍尔元件与电子检测应用电路M，中国电力出版社，20052 刘畅生，寇宝明，钟龙.霍尔传感器实用手册M，中国电力出版社，20093 贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术M，东南大学出版社，2007致谢 本文是在老师鲍丙豪教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度和精益求精的科学作风使我受益匪浅。在老师的指导下是我们明白了，理论与实际之间的差距，实际上做东西还是很难的，如果连理论的东西都掌握不牢，那么，实际上便更加不可能了。今后，我们一定会改变自己的态度，认真学习，求实创新。我们在此，谨向导师的培育、鼓励、支持和理解致以最衷心的感谢和深深的敬意！