传感器报告设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2011 年 7 月 22 日 课 程 传感器课程设计 题 目 霍尔式传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控技术与仪器专业二 10 2 班 学生姓名 李英杰 学生学号 100601220221 指导教师 邹彦艳 赵志华 任务书 课程 传感器课程设计 题目 霍尔式传感器应用电路设计 专业 测控技术与仪器 姓名 李英杰 学号 100601220221 主要内容 本设计主要是根据霍尔电流传感器工作原理和特性 并对它进行深入分析 选 择所需要的元器件构成跟设计需要的霍尔电流传感器 然后绘画出由所选元件构成 的电路工作原理图 并进行单元电路的分析和参数计算 基本要求 1 能够选择合理的传感器 设计必要的电路 2 理解霍尔电流传感器的工作原理 为获得所需要的输出做好充分的准备 3 绘画出电路的工作原理图 并设计单元电路 做出参数计算 主要参考资料 1 黄贤武 郑筱霞 传感器原理与应用 M 北京 高等教育出版社 1999 195 203 2 程小玲 黄大华 LEM 公司磁平衡式霍尔检零电流传感器的工作原理和应用 J 电子元器件应用 2006 8 58 60 3 何希才 传感器及其应用 M 北京 国防工业出版社 2001 215 221 4 林春芳 金仁贵 传感器原理及应用 M 安徽 安徽大学出版社 2007 116 148 完成期限 2011 7 13 2011 7 22 指导教师 邹彦艳 赵志华 专业负责人 2011 年 7 月 12 日 传感器课程设计 摘 要 为了解决霍尔电流传感器不能满足实际工程需要的问题 本课题设计出了零 磁通型霍尔电流传感器 利用零磁通原理 通过检测二次线圈的电流 反馈电流 计算一次侧电流 被测电流 的大小 采用REF232电压基准芯片为HW300B型霍 尔元件提供工作电流 采用仪器放大器AD620对霍尔元件产生的霍尔电压进行放 大 在本设计中具体分析了传感器的工作原理及其单元电路的设计 具体元件的 参数数计算以及构成霍尔电流传感器的元器件的选择 关键词 霍尔传感器 霍尔电流传感器 磁平衡原理 霍尔元件 传感器课程设计 目 录 一 设计要求一 设计要求 1 1 二 方案设计二 方案设计 1 1 1 方案说明 1 2 方案论证 1 三 传感器工作原理三 传感器工作原理 2 2 四 电路的工作原理四 电路的工作原理 3 3 五 单元电路设计 参数计算和器件选择五 单元电路设计 参数计算和器件选择 4 4 1 单元电路设计 4 2 参数计算 7 3 器件选择 8 六 六 总结总结 9 9 传感器课程设计 1 霍尔式传感器应用电路设计 一 设计要求 通过本课题的研究与设计 进一步提高自己的电路设计水平 深入对霍尔电 流传感器的理解与应用 首先理解霍尔电流传感器的工作原理 其次根据测量对 象的要求选择恰当的元器件 设计构成单元电路 最后连接各个单元电路构成所 需要要完成的霍尔电流传感器应用电路设计并进行相应的参数计算 二 方案设计 1 方案说明 该方案设计的是一种磁平衡型霍尔电流传感器 可广泛应用于交流变频驱动 焊接电源 开关电源 不间断电源等领域 该磁平衡型霍尔电流传感器通过砷化 镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场 继而有效地检测被测电流 由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱 而且还存在较大的失调电压 因此对 霍尔电压的放大是该设计的主要需要解决的问题 而且霍尔元件中载流子浓度等 随温度变化而变化 因此还需用温度补偿电路对其进行温度补偿 该方案的系统分为4个部分 1 霍尔元件的供电电路 由电压基准 电流基 准 芯片为霍尔片提供工作电流 2 霍尔元件及磁芯 将感应片感应的磁场 该磁场由通电电流产生 转化为霍尔电压 3 放大电路 将微弱的霍尔电压 进行放大 4 反馈部分 利用了磁平衡原理 一次侧电流所产生的磁场 通过 二次线圈电流进行补偿 使磁芯始终处于磁平衡工作状态 系统的总流程图如图 1所示 基准电压 图 1 系统的总流程图 2 方案论证 基准电压 REF3012 霍尔元件 HW300B 放大电路 AD620 反馈电路 传感器课程设计 2 霍尔电流传感器有两种工作方式 即直测式和磁平衡式 直测式是当电流通 过一根长导线时 在导线周围将产生一磁场 这一磁场的大小与流过导线的电流 成正比 它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出 这一信号 经信号放大器放大后直接输出 一般的额定输出标定为5V 这种方式的优点是结 构简单 测量结果的精度和线性度都较高 可测直流 交流和各种波形的电流 但它的测量范围 带宽等受到一定的限制 在这种应用中 霍尔器件是磁场检测 器 它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度 电流增大后 磁芯可能达到饱和 随 着频率升高 磁芯中的涡流损耗 磁滞损耗等也会随之升高 这些都会对测量精 度产生影响 而磁平衡式主回路被测电流在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈 电 流所产生的磁场进行补偿 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态 当原 边导线经过电流传感器时 原边电流IP会产生磁力线 原边磁力线集中在磁芯气 隙周围 内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的 大小仅为 几毫伏的感应电压 通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流 因此该设计方案是在深入研究传统传感器的基础上 针对传统霍尔传感器设 计的弊端 设计宽电流测试量程 高精度 宽频带的传感器 1 该传感器可以精确地感应被测电流 能够进行电路保护和监视电路性能 继而改善电路性能 起到保护设备的作用 2 此传感器的电流动态测试范围比同类型的传感器提高了50 线性度可以 达到输入电流的0 2 频带宽度可以达到300 kHz 3 该方案霍尔式电流传感器具有体积小 功耗低 成本低 响应速度快 接口简单的优点 可以广泛应用于交流变频驱动 开关电源等方面 三 传感器工作原理 首先说明一下 霍尔电流传感器是根据霍尔传感器原理制成的 霍尔传感器 是一种磁传感器 它可以检测磁场及其变化 可在各种与磁场有关的场合中使用 霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础 是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成 传感器 霍尔传感器在工业生产 交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用 激励电流 I 从 a b 端流入 磁场 B 由正上方作用于薄片 这时电子 e 的运动方向 与电流方向相反 将受到洛仑兹力 FL 的作用 向内侧偏移 该侧形成电子的堆 积 从而在薄片的 c d 方向产生电场 E 电子积累得越多 EF 也越大 在半导 体薄片 c d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势 流入激励电流端的 传感器课程设计 3 电流 I 越大 作用在薄片上的磁场强度 B 越强 霍尔电势也就越高 磁场方向相 反 霍尔电势的方向也随之改变 因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁 场 而我选用的是磁平衡式霍尔电流传感器 也成为补偿式传感器 即主回路被 测电路 Ip 在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态 根据安培定律 流过导体的电流 I 会在该导体周围产生一个磁场 这个磁场可以用一个高导磁率的磁路来测量 绕 在磁路的 N 匝绕圈 如果通以 1 N 的反向电流 就可以消除原边电流 I 所产生的 磁场 通过沿磁路安装的磁通探测器 霍尔传感器 检测铁芯间隙中的磁通 如 果不为零 霍尔传感器就会有 原 副边磁通不平衡的偏差 电压信号输出 该 信号经高增益放大器放大后 在调节二次电流以抵消原 副边安匝数不平衡所产 生的偏差 在铁芯中始终保持二次电流所产生的磁通能够抵消原边电流 I 所产生 的磁通 磁平衡式霍尔检零电流传感器的主要特点是磁路铁心不会饱和 临近电流传感器的导电母线排所产生的外部磁场会对磁平衡式霍尔检零电流 传感器的准确测量有一定的影响 采取的办法是用补偿线圈进行补偿 消除其影 响 四 电路的工作原理 系统由 5V和 5V的稳压源供电 用一片电压基准芯片REF3012为砷化镓系列 的霍尔元件HW300B提供基准电压 HW300B是一款可采用电压模式供电和电流 模式供电的霍尔元件 HW300B放在开有气隙的集磁环的气隙里 并用胶水加以 固定 霍尔元件和集磁环相对位置如果发生变化 会影响产生的霍尔电势的大小 霍尔元件的输出接至仪器放大器AD620 作为放大器的差模出入端和共模输入 端 放大器的增益可通过调节1 8 引脚之间的10千欧的电位器改变 放大器的 输出接反馈线圈 该反馈线圈绕在集磁环上 其绕线方向能使通过它的电流产生 的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反 反馈线圈末端放1个75千欧的精阻接地 可以通过测量精阻两端的电压 计算反馈线圈中的电流 进而推算穿过集磁环中 心的被测电流的大小 具体的电路工作原理图如图2所示 传感器课程设计 4 图 2 电路工作原理图 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 单元电路设计 1 基准电压 REF3012 以SOT23 3封装的REF3012是一个高精度 低功耗 低电压差电压参考系列 芯片 REF3012小尺寸和低功耗 最大50 A 非常适用于便携式和电池供电 它 传感器课程设计 5 不需要负载电容 但对任何容性负载很稳定 因磁敏型霍尔元件很容易受温度的 影响 可以采用恒流源供电以减小其温度系数 在该系统设计中 REF3012的输入 引脚1 接 5V电源 并接10 F的旁路电容至地 该旁路电容对电源进行滤波 提 高电源稳定性 而其输出引脚2接到HW300B的引脚1 并且也接10 F的旁路电容 至地 GND 地 引脚3接地 由于系统设计要求REF3012为HW300B提供2 5V的 基准电压 根据REF3012的数据资料可知 当输入电压为5V时 输出电压为2 5 V 所以REF3012 引脚1接 5V电压 基准电压REF3012电路图如图3所示 图3 基准电压REF3012 2 霍尔元件 HW300B 本设计采用砷化镓系列的HW300B型霍尔元件 输出霍尔电压范围122 204 mV 输入 输出阻抗为240 550欧姆 补偿电压为 7 7 mV 温度系数为 1 8 其输入可采用电压模式供电 也可采用电流模式供电 这里采用电压模 式供电 即就是HW300B的引脚1 3为控制输入端 而引脚2 4为霍尔电压输出 端 霍尔元件的电路图如图4所示 传感器课程设计 6 图4 HW300B型霍尔元件 3 放大电路 AD620 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AD620型仪器放大器 它通过改变电阻而改 变放大倍数 1 1000 AD620的1 8引脚之间通过跨接1只10千欧的电位器和1 只75欧姆的电阻来调整放大倍数 若要改变放大倍数 可调节电位器AD620的引 脚7 4分别接 5V和 5V的工作电压 并且分别接0 01 F的旁路电容至地 用来 滤除交流成分 使输出的直流更平滑 而其引脚3 2分别接霍尔元件的引脚2 4 其引脚6输出放大后的电压值 接反馈线圈 引脚5是参考基准 接REF3012的引 脚3 作为整个系统的地接 放大电路的电路图如图5所示 图5 放大电路AD620 传感器课程设计 7 2 参数计算 霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件 霍尔输出电压为 1 BSIV ch 式中 乘积灵敏度S 工作电流 c I 磁感应强度B 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 与一定 S c I 则Vh 与有直接线性关系 通电导体周围必然产生磁场 根据安培定律 电流与磁场B 的关系式为 2 00I Bdl 得 3 0 0 2 I R B 式中 真空磁导率 0 2 1 7 0 104AN 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式为 4 0201101 BlBlIdHIN 式中 磁环长度 1 l 气隙长度 2 l 导线匝数 1 N 被测电流 0 I 由 4 使可得 5 0 2 01 1 01 ll INB 式中 软磁材料的绝对磁导率 4000 5000 因此 4 中可 01 2 2 1 10 l l 简为 6 2010 lINB 传感器课程设计 8 设 则将式 6 代入式 1 中有 1 1 N 7 2010 lINSIV ch 由式 7 可知根据霍尔元件的乘积灵敏度 工作电流 真空磁导率 S C I 0 被测电流 缠绕匝数 气隙长度 便可算出霍尔电压 而且可知 气 0 I 1 N 2 l h V 隙长度越小 霍尔电压越大 所以气隙应以刚好卡住霍尔元件为宜 2 l h V 仪器放大器电路由3个放大器共同组成 其中电阻和需要在放大器的电R G R 阻使用范围内 1 10 根据固定的电阻调整其放大倍数 关系式如下 KR 需要注意每个放大器的饱和现象 放大器的最大输出电压为其工作电压 VC AD620 的输出电压与输入电压 关系式为 0 V 1 V 2 V 8 2 1 210 VV R R V G 放大倍关系式为 9 1 4 49 G R G 得 10 1 4 49 G RG 3 器件选择 本设计由四个部分 1 由电压基准 电流基准 芯片REF3012为霍尔片提 供工作电流 2 霍尔元件HW300B及磁芯 将感应片感应的磁场 该磁场由通 电电流产生 转化为霍尔电压 3 放大电路AD620 将微弱的霍尔电压进行 放大 4 反馈部分 利用了磁平衡原理 一次侧电流所产生的磁场 通过二 次线圈电流进行补偿 使磁芯始终处于磁平衡工作状态 在控制电极1 3和霍尔 电极2 4可看作电桥的电阻连接点 它们之间分布电阻R1 R2 R3 R4构成4个 桥臂 在控制电极1 2 3和放大电极4 7上分布着电容C1 C2 C3 C4 C5 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1U1REF30121差电压参考芯片 2U2HW300B1砷化镓霍尔元件 3U3AD6201仪器放大器 4R1 R2100 K2电位器 传感器课程设计 9 5R4 R575 2精阻 6R310 K1电位器 7C1 C3 C4 0 01 F3旁路电容 8C210 F1旁路电容 9稳压源 5V 5V1 六 总结 该设计是在深入研究传统传感器的基础上 针对传统霍尔传感器设计的弊端 设计宽电流测试量程 高精度 宽频带的传感器 该设计的磁平衡式霍尔电流传感器可以精确地感应被测电流 能够进行电路 保护和监视电路性能 继而改善电路性能 起到保护设备的作用 本设计设计为了解决霍尔电流传感器电流动态测试范围小 线性度低及频带 宽度不能满足实际工程需求的问题 设计出了零磁通型霍尔电流传感器 利用零 磁通原理 通过检测二次线圈的电流 反馈电流 计算一次侧电流 被测电流 的大小 采用REF232电压基准芯片为HW300B型霍尔元件提供工作电流 采用仪 器放大器AD620对霍尔元件产生的霍尔电压进行放大 当电阻两端接交流电压时 输出接上示波器 改变交流电压幅值的大小 观 察示波器上波形幅度的大小 经观察线性度很好 调节AD620的放大倍数 可以 使被测电流达到 99 6A 一般的传感器电流范围为 50A 因此该传感器的动态测 试范围提高了将近50 霍尔元件的输出接示波器 使交流信号源提供1个频率为 50kHz幅度为10V的电压 输出频率为50 2 kHz 系统输出的电压幅值基本保持不 变 说明输出信号的幅频特性很好 该传感器的频带宽度可以达到300kHz 总体来讲 最重要的是在这次研究课题中我学到了如何