基于微处理器提高非接触式电流测量产品精度的方法

1、基于微处理器提高非接触式电流测量产品精度的方法    关键词：霍尔效应；非接触式电流测量；磁化曲线；MCU处理算法目前工业上非接触式电流测量产品中普遍采用霍尔（Hall）传感器技术，该技术适用于从直流到中频段的交流电流的测量。由于结构简单，造价低廉，其中开环型霍尔传感器应用尤为广泛。但是因为霍尔传感器需要采用铁磁材料以起到聚磁的作用。而铁磁材料存在磁滞效应和磁损耗，当被测电流太小或太大时，电流与感应磁场之间的线性关系都会变受到影响，大大减低测试精度。如果采用硬件分段处理或是闭环型霍尔传感器，虽然能提高精度，但是硬件系统复杂，造价及开发周期急剧上升，在工业

2、领域实际应用中得不偿失。然而采用微处理器，对采集到的信号进行软件处理，如数字过滤以及线性补偿等，不但能提高精度，调试简洁，而且在微处理器高速发展的今天，采用微处理器的成本也十分有限。长期来看，工业产品的周期也比较长，而微处理器的价格下跌是十分快速的，产品成本也会随之下降。使用微处理器还能使之与电脑通信，就能实现产品自动调试和检验，在用工荒频发的趋势下，提高生产的自动化程度，显得尤为紧要。 1原理简介 文章中介绍的非接触式电流测量方法主要是结合应用了毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart Law）以及霍尔效应（Hall effect）。通过非接触的方式，使电流转换为电压信号，对电流进行测量。

3、但由于导线电流产生的磁场太小，需要采用铁磁材料以起到聚磁的作用，以增大磁场强度，使霍尔电压的信噪比达到可易于检测的值。 这种方法的缺点在于铁磁材料的磁场强度（H）和磁感应强度（B）之间的关系是非线性的。如果在增强场强条件下，此二者关系将呈曲线上升到某点，到达此点后，即使场强H继续增加，磁感应强度B也不再增加。该情况被称为磁饱和（magnetic saturation）。 如图1所示。可见场强与磁感应强度的关系呈S形，尤其是大电流的情况下。若简单采用线性对应无疑会使测量精度变差。关于S形回路的处理，需要进行分段及曲线近似处理，结合微处理器用软件实现比用硬件更为容易和快捷。 而且，同一类型的铁磁材

4、料不同批次，甚至同一批次的铁磁材料因为加工时的细微误差，也会导致其磁场强度与磁感应强度的对应关系不一致。这样铁芯材料的不一致性造成的误差是制约电流测量的精度提高一个瓶颈。这也是非接触式电流测量在调试时面临的一大难题。如果采用微处理器，就能实现产品与电脑的相互通信，对产品进行精度更高的调节，以确保量产品都能达到较高的精度要求。 2算法设计 首先把待测电流分量程测量，优点如下： 由于被测电流动态范围很大，这样可以提高每个量程的动态范围，提高精度。 磁化曲线在不同的场强下，呈现不同的形态，比如起始阶段，线性阶段以及饱和阶段。如果采用单一函数处理的话，很难保证精度。分段处理，就能针对不同的形态，采用不

5、同的逼近函数进行拟合，保证精度。 然后再把每个量程又分被成若干小段。调试时逐渐加大电流，以每个小段为一个单位，描绘出磁化曲线，然后把测得的值与被测实际电流值一一对应，记录在eeprom内。这些值即是对应于每对铁芯本身的特性以及在钳头装配时铁芯位置误差的磁化曲线。在实际测量时，每一小段量程都能根据事先记录下来的磁化曲线对测量值进行补偿。 根据磁化曲线特性，在电流较低的量程，磁化曲线线性较好，所以在记录磁化曲线是对数据进行线性处理，而在测量时则采用线性内插法。 例如文章实验中采用12位ADC，满幅为4096。每个量程分为64小段，每小段步长为4096/64=64，如图2所示。 在线性段的下一量程（

6、依旧是线性段），算法相同，只需为计算值乘上一个放大倍数即可。 而在大电流量程（接近于饱和区）则采用非线性的函数曲线拟合，比如： y=a b log（x），y=，y=ea b logx等。 文章实验中采用反正切曲线作为逼近函数。磁化曲线的反正切逼近函数如下： y=a arctan（bx） 调试时，不作线性化处理，直接把测得的值记入eeprom。 3实验结果 实验结果如表1所示，由实验结果可见，根据本算法的测量值误差不超过1%，达到精度要求。 4结论 将微处理器应用于非接触性电流测量产品中，能够对采样到数据通过数字信号处理的方法轻松达到较高的精度，简化了对外围硬件设计，降低了成本。更能通过微处理器

7、，与电脑进行通信，实现自动校验，降低了劳动力成本。此外，通过微处理器还能对数据通过FFT等其他DSP方式，进行谐波分析等处理，可进一步拓展电力测量产品的功能。 参考文献： 1 Jackson,John David.Classical Electrodynamics.3rd ed.M. New York:Wiley,1999. 2 Edwin Hall.On a New Action of the Magnet on Electric CurrentsJ.American Journal of Mathematics,2008,(2).        3 张燕,刘元龙.利用磁特性鉴别变压器励磁涌流时磁化曲 线的求取方法J.继电器,1997,(4). 4 何乃明.磁通门探测器的数值计算