傳感器課程設(shè)計(jì)---霍爾電流傳感器設(shè)計(jì)

1、<p>　　傳感器課程設(shè)計(jì)說明書</p><p><b>　　霍爾電流傳感器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器0902班 </p><p>　　學(xué)生姓名： <

2、/p><p>　　教師姓名： </p><p>　　2012年 01 月</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的

3、一門綜合技術(shù)學(xué)科，是在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?，F(xiàn)代測(cè)量、控制與自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，我們也看到，傳感器在日常生活中的運(yùn)用越來越廣泛，可以說它已成為了測(cè)試測(cè)量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此，學(xué)習(xí)、研究并在實(shí)踐中不斷運(yùn)用傳感器技術(shù)是具有重大意義的。</p><p>　　霍爾電流傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：1. 測(cè)量范圍廣：它可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，

4、如直流、交流、脈沖、三角波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值電流、電壓信號(hào)也能忠實(shí)地進(jìn)行反映。2. 響應(yīng)速度快：最快者響應(yīng)時(shí)間只為1us。3. 測(cè)量精度高：其測(cè)量精度優(yōu)于1%，該精度適合于對(duì)任何波形的測(cè)量。普通互感器是感性元件，接入后影響被測(cè)信號(hào)波形，其一般精度為3%~5%，且只適合于50Hz 正弦波形。4. 線性度好：優(yōu)于0.2% 。5. 動(dòng)態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間快，可小于1us;普通互感器的響應(yīng)時(shí)間為10~20ms。6. 工作頻帶寬：在0~100KH

5、z 頻率范圍內(nèi)的信號(hào)均可以測(cè)量。7. 可靠性高，平均無故障工作時(shí)間長(zhǎng)：平均無故障時(shí)間>5 10 小時(shí)。 8. 過載能力強(qiáng)、測(cè)量范圍大：0---幾十安培~上萬安培 。9. 體積小、重量輕、易于安裝。由于霍爾電流電壓傳感器以上的優(yōu)點(diǎn)，故而可廣泛應(yīng)用與變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)電流電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。因此，我們有必要對(duì)霍爾電流傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的了解，了解其硬

6、件組成，了解其工作原理，了解其誤差來源等。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)過程中，我們將自行制作一個(gè)霍爾電流傳感器，并用其檢測(cè)電流。</p><p><b>　　1.2設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　采用集成霍爾傳感器制作電流傳感器，具體要求如下：</p><p>　　用集成的霍爾傳感器制作用帶空氣隙的環(huán)形磁芯電

7、流傳感器。磁場(chǎng)由繞在磁芯上的電流線圈產(chǎn)生，該磁場(chǎng)被磁芯聚集后作用在霍爾元件上，霍爾元件將磁場(chǎng)變電壓。要制作電路消除零場(chǎng)的電壓，再進(jìn)行放大，用數(shù)字電壓表顯示被測(cè)值。</p><p><b>　　2.方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1原理簡(jiǎn)述</b></p><p>　　繞在鐵芯上的線圈在通電流時(shí)在鐵芯中產(chǎn)生

8、磁場(chǎng)，通上電流的集成霍爾元件在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)，將產(chǎn)生的微小的霍爾電動(dòng)勢(shì)接入放大電路中，然后用數(shù)字電壓表檢測(cè)。通過數(shù)字讀出數(shù)字電壓報(bào)表的讀數(shù)即可知道被測(cè)電流小。</p><p>　　上式中：Hg 表示空隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度 </p><p>　　Hm表示鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度</p><p><b>　　N表示

9、線圈匝數(shù)</b></p><p>　　Sg表示磁芯兩級(jí)所對(duì)的空隙的截面積</p><p>　　Sm表示鐵芯的截面積</p><p>　　Bg表示空隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度</p><p>　　Bm表示鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度</p><p><b>　　由上述公式得：</b></p>

10、<p>　　原理圖、實(shí)物圖和電路圖如下所示：</p><p>　　圖 1 霍爾電流傳感器原理圖</p><p>　　圖2 霍爾電流傳感器實(shí)物圖</p><p>　　圖3 霍爾電流傳感器電路圖</p><p>　　2.2芯片CA3140</p><p>　　CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器,是美國(guó)無

11、線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運(yùn)算放大器在一片集成芯片上，該CA3140A和CA3140 BiMOS運(yùn)算放大器功能保護(hù)MOSFET的柵極（PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓從4V至36V（無論單或雙電源),它結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點(diǎn)。(互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體)卓越性能的運(yùn)放。</p><p>　　圖 芯片CA3140引

12、腳分布圖</p><p><b>　　引腳功能表: </b></p><p>　　2.3集成霍爾元件3053</p><p>　　輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖所示，可見，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。</p><p>　　圖 磁場(chǎng)與輸出電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系<

13、;/p><p>　　霍爾元件是將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的線性磁敏元件，霍爾輸出電壓 式中，S為乘積靈敏度，mV／(mT·mA)；Ic為工作電流，mA；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，mT。本設(shè)計(jì)中，將霍爾元件放進(jìn)開有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并將霍爾元件和集磁環(huán)固定，這樣可以感應(yīng)出更大、更穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)。式(1)中，當(dāng)S與Ic一定，則Vh與B有直接線性關(guān)系。通電導(dǎo)體周圍必然產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)安培定律，電流

14、與磁場(chǎng)的關(guān)系式∮BdI=μ0I0得： 式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，。 根據(jù)安培回路定律，可得到這種磁路形式的電流與磁場(chǎng)的關(guān)系 由式(6)可知，根據(jù)霍爾元件的乘積靈敏度S，工作電流Ic，真空磁導(dǎo)率μ0，被測(cè)電流I0，纏繞匝數(shù)N1，氣隙長(zhǎng)度l2，便可計(jì)算出霍爾電壓Vh。而且可知，氣隙長(zhǎng)度l2越小，霍爾電壓Vh越大，所以氣隙應(yīng)以剛好卡住霍爾元件為宜。</p><p><b>

15、　　2.4鐵芯結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　內(nèi)徑：20mm</b></p><p><b>　　外徑：32mm</b></p><p><b>　　厚度：10mm</b></p><p><b>　　3單元電路設(shè)計(jì)</b></

16、p><p>　　3.1放大電路 由磁敏霍爾元件將集磁環(huán)收集到的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對(duì)其進(jìn)行放大。這里采用CA3140型儀器放大器，它通過改變電阻而改變放大倍數(shù)。CA3140的2、6引腳之間通過跨接1只100kΩ的電阻來調(diào)整放大倍數(shù)。CA3140的引腳7、4分別接+12V、-12V的工作電壓。其引腳3接至10kΩ的電阻，構(gòu)成放大十倍的放大關(guān)系，引腳2接可調(diào)電阻器后接地，可調(diào)電阻可用來平衡電

17、路。圖</p><p>　　3.2不等位電勢(shì)的消除</p><p>　　由于霍爾元件的其中兩只引腳被認(rèn)為的鏈接起來，從而造成了較大的不等位電勢(shì)，我們需要消除它。通過測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)所采用的霍爾元件的不等位電勢(shì)為3.1V。通過可調(diào)節(jié)電阻和電阻的組合鏈接，從5V的恒定電壓源上取出3.1V的電壓。通過鏈接四個(gè)等值電阻和CA3140運(yùn)放，構(gòu)成減法器。正出入端接霍爾元件輸出電壓Ui，負(fù)輸入端接入調(diào)節(jié)好的

18、3.1V電壓，這樣得到的輸出便是Ui-3.1，從而消除了不等位電勢(shì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量的影響。圖</p><p><b>　　3.3失調(diào)電路</b></p><p>　　如果運(yùn)放兩個(gè)兩個(gè)輸入端上的電壓均為0V，則輸出端的電壓也應(yīng)該為0V。但事實(shí)上，輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓。如果將輸出端的失調(diào)電壓除以電路的噪聲增益，得到的結(jié)果稱為輸入失調(diào)電壓。失調(diào)電壓被等效成一

19、個(gè)與運(yùn)放反相輸入端串聯(lián)的電壓源，必須對(duì)放大電路的兩個(gè)輸入端施加差分電壓，以產(chǎn)生0V輸出。失調(diào)電路如圖所示。</p><p>　　圖 CA3140 失調(diào)電路</p><p><b>　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與分析</p><p>　　用制作完成的霍爾電流傳感器接至電流源上，改

20、變電流的大小，讀出數(shù)字電壓表上的數(shù)據(jù)，記錄在表格內(nèi)。并且用MATLAB進(jìn)行繪圖和直線擬合，求出線性度。</p><p>　　表1 輸入電流與輸出電壓的數(shù)據(jù)記錄</p><p>　　圖 MATLAB中對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)與直線擬合（第一組數(shù)據(jù)）</p><p>　　圖 MATLAB中對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)與直線擬合（第二組數(shù)據(jù)）</p>

21、<p>　　由MATLAB擬合直線可知該霍爾電流傳感器的靈敏度約為3.8。</p><p><b>　　4.2誤差分析</b></p><p>　　首先是集成霍爾元件本身有一定的不穩(wěn)定性。然后是運(yùn)放受到前后電路的影響，電路的電阻并沒有配至平衡。最后還有給運(yùn)放提供工作電壓的電壓源并不是提供數(shù)值相等的電壓，導(dǎo)致運(yùn)放工作缺乏一定的穩(wěn)定性。</p>&

22、lt;p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 盧文科，朱長(zhǎng)純，方建安.霍爾元件與電子檢測(cè)應(yīng)用電路[M]，中國(guó)電力出版社，2005</p><p>　　[2] 劉暢生，寇寶明，鐘龍.霍爾傳感器實(shí)用手冊(cè)[M]，中國(guó)電力出版社，2009</p>

23、<p>　　[3] 賈伯年，俞樸，宋愛國(guó).傳感器技術(shù)[M]，東南大學(xué)出版社，2007</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在老師xx教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的科學(xué)作風(fēng)使我受益匪淺。在老師的指導(dǎo)下是我們明白了，理論與實(shí)際之間的差距，實(shí)際上做東西還是很難的，如果連理論的東西都掌握不牢，那么