傳感器課程設(shè)計---霍爾電流傳感器設(shè)計

1、<p>　　傳感器課程設(shè)計說明書</p><p><b>　　霍爾電流傳感器設(shè)計</b></p><p>　　學生學號： </p><p>　　專業(yè)班級： 測控技術(shù)與儀器0902班 </p><p>　　學生姓名： <

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現(xiàn)信息檢測的

3、一門綜合技術(shù)學科，是在現(xiàn)今科學領(lǐng)域中實現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?，F(xiàn)代測量、控制與自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學的發(fā)展，極大地促進了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。同時，我們也看到，傳感器在日常生活中的運用越來越廣泛，可以說它已成為了測試測量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此，學習、研究并在實踐中不斷運用傳感器技術(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：1. 測量范圍廣：它可以測量任意波形的電流和電壓，

4、如直流、交流、脈沖、三角波形等，甚至對瞬態(tài)峰值電流、電壓信號也能忠實地進行反映。2. 響應(yīng)速度快：最快者響應(yīng)時間只為1us。3. 測量精度高：其測量精度優(yōu)于1%，該精度適合于對任何波形的測量。普通互感器是感性元件，接入后影響被測信號波形，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. 動態(tài)性能好：響應(yīng)時間快，可小于1us;普通互感器的響應(yīng)時間為10~20ms。6. 工作頻帶寬：在0~100KH

5、z 頻率范圍內(nèi)的信號均可以測量。7. 可靠性高，平均無故障工作時間長：平均無故障時間>5 10 小時。 8. 過載能力強、測量范圍大：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，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、電解電鍍、數(shù)控機床、微機監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個領(lǐng)域中。因此，我們有必要對霍爾電流傳感器進行進一步的了解，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)計過程中，我們將自行制作一個霍爾電流傳感器，并用其檢測電流。</p><p><b>　　1.2設(shè)計任務(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。磁場由繞在磁芯上的電流線圈產(chǎn)生，該磁場被磁芯聚集后作用在霍爾元件上，霍爾元件將磁場變電壓。要制作電路消除零場的電壓，再進行放大，用數(shù)字電壓表顯示被測值。</p><p><b>　　2.方案設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1原理簡述</b></p><p>　　繞在鐵芯上的線圈在通電流時在鐵芯中產(chǎn)生

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

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

10、<p>　　原理圖、實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高輸入阻抗運算放大器,是美國無

11、線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運算放大器在一片集成芯片上，該CA3140A和CA3140 BiMOS運算放大器功能保護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。(互補對稱金屬氧化物半導(dǎo)體)卓越性能的運放。</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強度呈線性關(guān)系，如圖所示，可見，在B1～B2的磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。</p><p>　　圖 磁場與輸出電動勢的關(guān)系<

13、;/p><p>　　霍爾元件是將磁場轉(zhuǎn)換為電信號的線性磁敏元件，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)強度，mT。本設(shè)計中，將霍爾元件放進開有氣隙的集磁環(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。式(1)中，當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，根據(jù)安培定律，電流

14、與磁場的關(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，被測電流I0，纏繞匝數(shù)N1，氣隙長度l2，便可計算出霍爾電壓Vh。而且可知，氣隙長度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</b></

16、p><p>　　3.1放大電路 由磁敏霍爾元件將集磁環(huán)收集到的磁場轉(zhuǎn)換為弱電信號，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對其進行放大。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不等位電勢的消除</p><p>　　由于霍爾元件的其中兩只引腳被認為的鏈接起來，從而造成了較大的不等位電勢，我們需要消除它。通過測量，本實驗所采用的霍爾元件的不等位電勢為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。通過鏈接四個等值電阻和CA3140運放，構(gòu)成減法器。正出入端接霍爾元件輸出電壓Ui，負輸入端接入調(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對實驗結(jié)果測量的影響。圖</p><p><b>　　3.3失調(diào)電路</b></p><p>　　如果運放兩個兩個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、個與運放反相輸入端串聯(lián)的電壓源，必須對放大電路的兩個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 實驗結(jié)果</b></p><p>　　4.1實驗數(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中對實驗中獲取的數(shù)據(jù)進行描點與直線擬合（第一組數(shù)據(jù)）</p><p>　　圖 MATLAB中對實驗中獲取的數(shù)據(jù)進行描點與直線擬合（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</b></p><p>　　[1] 盧文科，朱長純，方建安.霍爾元件與電子檢測應(yīng)用電路[M]，中國電力出版社，2005</p><p>　　[2] 劉暢生，寇寶明，鐘龍.霍爾傳感器實用手冊[M]，中國電力出版社，2009</p>

23、<p>　　[3] 賈伯年，俞樸，宋愛國.傳感器技術(shù)[M]，東南大學出版社，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)師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和精益求精的科學作風使我受益匪淺。在老師的指導(dǎo)下是我們明白了，理論與實際之間的差距，實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