【《高速铁路电磁继电器测试系统的硬件设计案例》10000字】

高速铁路电磁继电器测试系统的硬件设计案例高速铁路电磁继电器测试系统的硬件部分以树莓派和高性能采集卡MCC-118为核心，外部电路主要有驱动电路、信号调理电路等，应用高速采集方法对电磁继电器的线圈电压信号、线圈电流信号以及触点电压信号进行实时采集，并存储测试数据，为时间参数的计算提供支持，硬件部分的结构框图如图3-1所示。图3-1系统硬件部分设计框图1.1线圈驱动电路本测试系统的线圈驱动电路如图3-2所示，本文中设计的线圈驱动电路，是用树莓派作为核心驱动单元，通过树莓派GPIO引脚输出高电平控制固态继电器闭合，输出低电平控制固态继电器断开，从而实现对电磁继电器线圈通电和断电的控制。驱动电路中反向并联的二极管用于保护电路。GPIO（GeneralPurposel/OPorts）的中文常用解释为输入/输出端口，作为输入端口使用时可以通过端口读取此时引脚是高电平状态还是低电平状态，作为输出端口使用时可以通过端口向下级电路输出高电平或者低电平。GPIO口的用途很广泛，常被用来进行数据传递（如和硬件设备之间进行通讯传输）、通过输出电平控制下级电路工作或停止工作（如点亮小灯）、读取上级或下级工作电路的信号状态（如开始信号、停止信号等）。树莓派4B共有40个GPIO引脚，最大输出电平为1.3V，最小输出电平为0V。图3-2线圈驱动电路固态继电器（SolidStateRelay，缩写SSR）属于开关器件的一种，为无触点开关。固态继电器一般由微电子电路、电力电子功率器件、分立电子器件构成。使用时在信号输入测施加一个很小的控制信号，就可以在输出端输出一个大的电压信号，用来驱动大电流负载设备工作。固态继电器既有放大驱动作用，又有隔离作用，具有低功率、低噪声、高灵敏度等优点。根据前文中的分析条件，本测试系统中选用DM0063型号的固态继电器，如图3-3所示。DM0063为直流型，最小输入电压为3V，最大的输入电压为10V。最大的输出电流为3A，最大的输出电压为60V。其特性参数可以达到本测试系统中的实验要求，并可将树莓派与高压电隔离开，保护树莓派GPIO引脚不被高电压烧损。图3-3固态继电器DM0063实物图1.2负载电路负载电路的设计要求主要考虑以下几方面：（1）负载电阻的选取要合适，可以保证在电磁继电器在该负载条件下能保持正常工作状态。（2）可以提供大功率的负载电源，保证负载电路所消耗的功率不会影响测试系统的正常工作。（3）负载周围要有散热装置，防止测试系统工作时负载温度过高而损坏。（4）当测试电路发生故障时，如电路短路或系统过载时，测试系统具有自我保护的功能。高速铁路电磁继电器在实际工作时需要控制多种类的电气设备，因此实际工作时负载条件多种多样。根据国家标准《铁路信号继电器实验方法》中的要求，本测试系统中选择的负载种类为纯阻性，负载电源为DC3-15V，负载电阻为60Ω，可调节电流为50-250mA。1.3信号调理电路信号调理一般来说就是把信号检测器件检测到的各种类型的信号转换为对应的标准信号。信号调理的主要功能有信号滤波去除杂质信号干扰、高电平和低电平的相互转换、信号隔离等。信号调理电路是一个把传感器采集到的模拟信号转变为可以用于过程控制信号、数据采集信号、计算信号、显示信号或者其他用途的数字信号的电路。模拟信号传感器可以用来测量很多不同类型的物理量，但是并不可以直接将测得的物理信号转变为数字信号，并且一般来说传感器的输出信号变化都很小，所以为了提高检测的精准度，我们在将模拟信号转变为数字信号之前需要进行信号调理。调理技术主要有放大、隔离和过滤等。信号放大的主要目的为提高输入信号电平，帮助输入信号更好的满足数字转换器的要求范围，从而使信号检测的精度和灵敏度变高。使用时，在条件允许下可以把信号调理装置尽可能的安装在离信号源近一点的地方，这样可以适当减少环境噪声对信号的影响。信号隔离器是一类用于隔离信号的装置，它可以把单路输入或者双路输入电压信号或者电流信号转变成隔离输出的单路线性电压、电流信号或双路线性电压、电流信号，并且使电源、输入信号、输入信号之间的电气隔离性能变好。信号隔离器工作时首先将接收到的输入信号通过半导体器件进行调制变换处理，然后通过光敏感性器件或者磁感应器件进行隔离转换处理，最后再把信号进行解调制转换使信号变回隔离前的原始信号或者不同类型的信号，与此同时对为隔离后的信号供电的电源也进行隔离处理，确保转换后的信号和地。电源之间保持绝对独立。信号隔离器的设计使用了较为先进的数字化技术，在抑制干扰信号尤其是对高频和低频干扰信号的抑制作用十分显著。滤波的作用一般是过滤掉指定信号中的特定频率的波段信号，是一种抑制和抵抗信号干扰的常用方法。滤波器可以去除特定范围的频率噪声信号，目前有百分之九十以上的数据采集系统都会受到或多或少的来自电源、电线或者机械装置的50Hz或者60Hz的噪声信号的干扰。高速铁路电磁继电器的工作环境复杂，受到不同频率的噪声信号的干扰，如果直接将采集到的信号输入到下级电路中，和采集信号混合在一起的干扰信号，会使采集系统的精准度降低，所以测试系统的硬件部分组成中必须包含信号调理电路来保证系统可以精准采集。1.1.1触点电压信号调理电路设计1.1.1.1低通滤波电路低通滤波是指一种过滤波形的方法，过滤后只有低频信号可以正常通过，超过设置频率临界值的高频信号会被减弱或者被过滤掉。但是减弱和过滤的程度会根据频率的不同和滤波程序的不同而变化。滤波电路主要用于过滤整流输出电路中电压信号里的纹波信号。滤波电路主要由电抗元件构成，例如在负载回路中串联电感器，在负载两端并联电容器，以及由电感和电容组合而成的各种混合式滤波电路。常见的滤波电路分为有源滤波电路和无源滤波电路两类。无源滤波电路的组成元件简单，设计方便，但是其通带放大倍数和截止频率并不是一个定值会随着负载的变化而变化，所以它并不适合用在对信号处理精度要求较高的系统中。有源滤波电路的滤波特性不受负载的影响，所以大多数对信号处理精度要求较高的系统都使用有源滤波器，并且和无源滤波相比，有源滤波响应速度更快和可控性更高。因此本文选用有源滤波的方式。低通滤波电路如图3-4所示，将截止频率设定为f=10HZ，同频带内的增益系数设定为1。输入电压跟随器具有输出阻抗低的特点，可以增强电路对负载的带动能力。次级电路中的C1、C2、R3、R4组成反馈回路，R2、R3和R的取值为5kΩ，品质因数Q值设定为0.707，由式（1.1）和（1.2）计算得出C3=9uF和C4=4.5uF。 （1.1） （1.2）图3-4滤波电路设计图1.1.1.2隔离电路高速铁路电磁继电器在实际工作时，会受到多种信号的干扰。为了避免干扰信号和待测信号被一同采集导致采样精度的降低，需要在信号采集之前对采样信号进行电气隔离。电气隔离简单来说就是把电源和电气主回路之间进行电气上的隔离，即把使用电的支路电路和整个电气系统分离开来，使整个系统变成一个在电气意义上被分离开来的、互相之间独立的并且不接地的安全系统。进行电气隔离的主要目的是降低两个不同回路之间的相互干扰。常用的电气隔离方法有：（1）变压器隔离：变压器的工作原理是依靠两边线圈磁通量的相互耦合，线圈一次侧和二次侧之间没有导电介质使电流可以直接在两侧之间形成闭合流动环。按照工业标准的规定，两个线圈之间的电压差可以高达数千伏特，而不会有绝缘破坏的情形。（2）光电耦合隔离：光电耦合隔离的隔离方法是使用光电耦合隔离器进行隔离。光耦隔离器通常是将光敏三极管和发光二极管构成一个整体元件封装在一起。光耦隔离电路把两部分电路隔离开，使之互相间没有电的直接连接。主要目的是预防有因为电的连接而产生的干扰，尤其是当控制电路为低压电路而外部电路是高压电路时（3）机械式隔离：机械式隔离主要是指使用继电器元件进行隔离。继电器是一种用较小的电压电流来控制较大的电压电流的开关器件，较小电压电流的控制电路部分导通时会使电磁铁上电或者掉电，来达到控制较大电压电流的下级电路导通或者断开的目的。较小电压电流部分和较大电压电流部分之间是没有相互连接的，通常来说继电器的输出侧通过的电流可以比光电耦合元件的输出侧电流大，但是此时继电器的动作时间会比光电耦合元件的动作时间长。（4）电容器隔离：电容器是一种可以使交流电流顺利通过，而直流电流会被阻断的电器元件。所以使用电容器可以达到在直流电压不同的电路中传递交流信号的目的。但是当两个电路电压差特别大的时候，电容器可能会被击穿失效，从而导致两端直接短路。比较常用的电气隔离方法后，本测试系统选用的隔离方法为光电耦合隔离。光电耦合器主要由发光元件和感光元件组成。常用的发光器件为IRLED，常用的感光元件有光敏二极管、光敏三极管、达林顿管和光集成电路等。当在光电耦合隔离元件的输入侧施加电信号后，发光元件就会产生光线，然后感光元件在感应到光线信号后就会产生电流信号，从隔离元件的输出侧流出。光电耦合元件的体积很小，由于没有触点所以使用寿命相对较长，输入侧和输出侧之间相互断开所以抗干扰能力更强，并且可以单相传递信号，应用范围较广。光电耦合器根据输入输出关系的不同分为线性光耦元件和非线性光耦元件。非线性光耦元件主要是指电流的传输特性曲线是非线性变化的，这类光耦元件一般被用来传递开关信号不用来传递模拟信号。线性光耦元件主要是指电流的传输特性是近似直线变化的，并且当传递较小信号时传输特性也很好，可以按照线性变化的规律对隔离电路进行控制。线性光耦元件一般被应用于开关电源中，开关电源如果使用非线性光耦元件，振荡波形可能会受到影响，影响严重时可能会出现寄生振荡。对于使用频率较高的开关电源来说，要求光耦元件具有较高的相应速度，所以此时会选择使用高速型（延迟时间小于500nS）的光耦元件。当传递的信号类型为模拟信号或者直流信号时，为了降低信号的失真率一般选择线性光耦元件，因此本文中选用型号为HCNR200的线性光电耦合器件。该芯片具有以下特点：（1）隔离信号类型较多，不仅可以隔离数字信号也可以隔离模拟信号，稳定性较高，可以线性控制电路，控制频率跨度较大，并且价格相对便宜。（2）控制模式非常灵活，可以在单级控制、双极控制、直流控制、交流控制、正向控制或者反向控制等多种控制模式下工作。（3）非线性度高，数值为0.01%。（4）传递增益为±15%，增益温度系数为-65ppm/℃，带宽大于1MHz。（5）输入输出电压的范围为0-15V。（6）绝缘工作电压最大值为1414V。HCNR200一般被用于成本较低的模拟信号隔离电路、工业控制电路、电子电路的反馈电路部分、电机电源电压的检测电路等多种控制电路中。HCNR200的内部结构如图3-5所示，它是一种电流特性曲线线性程度较高的光耦元件。HCNR200的封装内主要有一个LED发光二极管和两个型号相同的光电二极管，其中两个二极管PD1和PD2分别在隔离电路的输入侧和隔离电路的输出侧。由于光耦元件是密闭的封装元件，所以PD1和PD2所感应到的LED得发出光线数量几乎是一样的。外部反馈电路由放大器和PD1组成主要用来感应发光二极管发出的光的变化，当发光量减少时可以通过加大流过LED的电流来补充光亮，当发光量增加时可以通过减小流过LED的电流来减小光亮，从而起到对LED的调节作用，使LED可以一直输出较为稳定的光信号。当PD2感应到光信号时，会通过另一个运算放大器把产生的电流信号转变为对应的电压信号施加到下一级电路上。图3-5HCNR200内部结构图当发光二极管中流过电流为IF时，在光电二极管中会产生和光照强度线性相关的电流IPD1和IPD2，关系如公式（1.3）、（1.4）、（1.5）所示： （1.3） （1.4）（1.5）其中，K1和K2代表线性系数，K3代表传输增益。线性系数在芯片设计时，一般为同一数值且受温度的影响较小，数值范围在0.36-0.72之间，常用值为0.48。传输增益是表示光耦线性程度的重要参数，理想数值为1，HCNR200的传输增益在0.95-1.05之间，接近理想数值。由光电耦合器的工作原理可知，单独的光电耦合器只能隔离电流信号，只有在两端外加运算放大器时才可以起到隔离电压信号的作用。光耦隔离电路设计图如图3-6所示，其中U1代表输入电压，U2代表输出电压。电阻R1的作用为限流，串联在电路中，用来限制所在支路的电流大小，防止电流过大烧坏串联的元器件。电阻R2用于控制光耦芯片中发光二极管的光照等级。运算放大器上并联的电容C1和C2用于防止运算放大器产生自激振荡影响系统的稳定。图3-6光耦隔离电路设计图当在电路输入测施加电压U1时，运算放大器U8的6引脚输出的电压小于光耦芯片1引脚的电位，发光二极管中流过电流IF，发光二极管的光照强度受电流IF的大小的影响。光耦芯片输出测的光电二极管PD1、PD2受到光照后，产生感应电流IPD1和IPD2。输出测电路主要由运算放大器U9和PD2组成，将感应电流IPD2转换为电压信号后输出，并增强了驱动负载了能力。根据“虚短虚断”原理，光耦隔离电路中的物理量关系如下： （1.6） （1.7）根据公式（1.3）和（1.4）可知： （1.8）将公式（1.6）中得出的关系代入公式（1.8）中得： （1.9）结合公式（1.7）和（1.9）得到输出电压U2和输入电压U1的关系为： （1.10）1.1.1.3放大电路高速铁路电磁继电器工作时，线圈电流和触点压降都只有几十毫伏，电压、电流信号微弱，此时如果直接采集信号将会影响采样信号的准确度。本系统选用常见的差分放大电路对电信号进行放大处理。差分放大电流又称为差动放大电路，当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动。差分放大电路是有静态工作点稳定的放大电路演变而来的[37]。差分放大电路的电路具有对称性，电路的对称性可以帮助电路稳定工作点，因此差分放大电路大多数被用在检测电路的输出部分。本文所设计的放大电路图如图3-7所示。图3-7放大电路设计图放大电路的第一级放大电路部分由一个AD620芯片和由电容、电阻和二极管元件组成的外围电路构成。AD620芯片的成本较低但是芯片精度很高，高精度的放大电路中常常使用AD620芯片，并且其噪声低，输入侧的偏置电流小、功耗也较小。AD620是在传统的三级运算放大器的基础上发展出来的，所以它的一些主要性能比传统的三级运算放大器构成的放大电路的性能要好，比如其电源控制范围跨度更大（±2.3~±18V），电路所占体积更小，功耗也相对较低（当使用最大电流供电时，功耗也仅有1.3mA），所以AD620在控制低电压和功率损耗较低的电路中应用更多。为了确保电路具有更高的性能，AD620的单片结构和激光晶体调整可以让电路中的其他元件跟踪更紧密和适配程度更高。AD620由三个运算放大器集成封装而成，为了提高增益控制的精准度，输入侧的三极管输入方式为差分双极输入方法，为了使输入侧的偏置电流更小输入侧采用β工艺，使用第一级输出内部的运算放大器进行反馈来确保输入级的三极管的集电极电流保持不变，还可以让输入电压施加到外部控制增益的电阻之上。AD620的增益方程如（1.11）所示，其内部的两个增益电阻阻值均为24.7K，本文中放大电路的RG值为1MΩ，代入式（1.11）得，初级放大倍数为1。 （1.11）当大电路的第二级电路由OP07和由电容、电阻和二极管元件组成的外围电路构成。OP07芯片噪声低，是一种具有双极性且非斩波稳零的运算放大器的集成电路。OP07在大多数的应用条件下是不需要额外外加调零元件或电路的，因为它的失调电压（最大为25μV）特别小。OP07的输入侧偏置电流也是很小的（±2nA）但是它的开环增益系数很高。失调电压低、开环增益高等优点使OP07被大量应用于要求高倍放大的测量装置和需要对微弱信号进行放大的电路中。本测试系统中，为了测量不同的输入电压等级下，电压参数的变化规律，所以设置了1倍放大、2倍放大以及10倍放大三个放大选项。压降放大倍数的切换选用芯片ADG1404来实现，放大倍数切换电路图如图3-8所示。图3-8放大倍数切换电路设计图ADG1404是一种互补金属氧化物半导体（CMOS）模拟多路复用器，其内部有四个应用工艺CMOS（iCMOS）工艺所设计的单路通道。iCMOS是一种模块化的制造手段，具有高电压CMOS工艺和双极性工艺的所有优点。利用这种制造手段，可以让开发出来的各种高性能模拟IC的工作电压高达33V，并且这种模拟IC器件的体积比传统的高压器件更小。和采用传统CMOS工艺所开发出的模拟IC相比，iCMOS工艺的元器件可以承受更高的电源电压，与此同时还可以提升部分性能，所消耗的功率被大幅降低并且元器件的封装尺寸更小。ADG1404由三位二进制的地址线A0、A1和EN所共同确定的一个地址，把四个输入路线的其中之一和公共输出端D连接在一起。EN引脚为使能端，当EN引脚的输入为逻辑0的时候，ADG1404将处于被禁用的状态而无法工作，当EN引脚的输入为逻辑1的时候，该元件处于导通状态，此时开关器件的输出侧和输出侧的导电性能是一样的，输入侧的信号范围可以和电压电压的范围一样，当切换数字输入信号的时候，可以完成最快速度的瞬间变化。ADG1404控制逻辑如表1所示。表1ADG1404控制逻辑ENA1A0S1S2S3S40XXOffOffOffOff100OnOffOffOff101OffOnOffOff110OffOffOnOff111OffOffOffOn假设OP07的输入电压为Ui，输出电压为Uo，根据“虚短虚断”原理，得到输出电压和输入电压的关系为： （1.12）电阻R13为定值1kΩ，电阻R分别为1Ω、1kΩ、10kΩ。控制ADG1404的导通即可实现放大1倍、2倍和10倍的目的。此外由于采集卡的采样量程为±10V，因此为了保护采集卡不被击穿，输出位置并联二极管，控制输出电压。1.4信号采集电路本测试装置需要采集高速铁路电磁继电器的线圈电压、线圈电流、触点压降三种输出信号，并根据采样信号进行相关时间参数的计算。信号采集电路的原理图如图3-9所示。图3-9信号采集原理框图1.1.1数据采集卡的选择数据采集卡是实现数据采集功能的计算机扩展卡[38],是信号采集电路的核心器件。数据采集卡所需要具有的基本功能有模拟输入功能、模拟输出功能、数字I/O输入输出端口、计数功能以及计时功能，分别由不同的电路来实现这些基础功能。模拟输入功能是采集卡必须具有的基本功能之一，通过多路开关（MUX）、信号放大元件、采样信号保持电路等来实现模拟输入的功能。通过这些器件后，就可以把一个模拟输入信号转变为一个数字信号。模拟量和数字量的转换性能和转换参数对模拟信号的输入精度有很大的影响，所以实际应用时需要根据实际电路所要求的精度来选择适合的模拟信号和数字信号的转换器。一般数据采集卡的选型，按如下步骤进行：（1）明确应用需求在确定数据采集卡型号之前，需要对应用需求进行全方面的分析，在完全的了解所选数据采集卡的优点缺点、采集卡支持的开发平台的类型、采集卡可以运行的操作系统种类以及采集卡的使用难度后，再根据实际需求进行合理的选择。（2）选择总线常见的总线结构主要有PCI总线、PXI总线、USB总线、ISA总线等，不同类型的总线结构其传输速度、电气特性、尺寸大小、结构组成、参数配置等都是不一样的，所以根据实际需要的要求来选择最符合测试系统的总线。（3）选择采样率采集系统的采样速度主要受到ADC芯片将数字信号转变为模拟信号的速度的影响，采样率的常用单位是SPS（采样点/s）。从奈奎斯特采样理论中可以知道，采样的频率必须要大于所要采集的信号中的最高的有效的采样频率的两倍，否则采样信号会由于发生信号混叠而失真，也就是常见的“假频”现象。所以在选择采集卡时一般建议选择采集卡的最大采样速度在采样信号的最高频率分量的5~10倍之间。（4）选择分辨率和量程范围输入信号的细分程度越高，所需要的分辨率就越高，这样所能识别的输入信号的变化变就越小。当一个正弦波信号的分辨率为8bit时，模拟信号和数字信号转换器转换后的数字信号就等同于把输入的模拟信号细细划分为了256份。有时候一些很小的信号变化量在模拟信号和数字信号的转换过程中会消失，主要就是由于所选择的分辨率不够高导致在将数字信号还原成模拟信号的过程中出现量化噪声所引起的。当选用16bit的分辨率时，模拟信号和数字信号的装换就可以从细分256份增加到细分65536份。由式（1.13）可知，量化位数越多信噪比SNR就越高。 （1.13）在确定了模拟信号和数字信号转换的分辨率后，应该在确保信号和噪声的比值较高且量化噪声较少的条件下，选择一个恰当的量程，再通过信号处理电路把采集到的信号转化到满足要求的量程中。（5）选择合适的产品型号输入阻抗、输出电阻、通道数、信号线数、隔离等问题都需要综合考虑，这些参数都和传感器和信号处理电路关系密切。选择的采集卡在满足所有所需指标以后，还需要满足“功能够用”的原则。通常情况下当系统对精准度的要求不是很高且信号采集频率相对较低的时候，PCI总线和USB总线的数据采集卡都可以满足对应的系统要求。但是当采集系统对采集卡采集精确度要求很高且对信号采集频率要求也很高的时候，建议优先选择PXI总线类型的数据采集卡。根据上述采集卡选取的流程，综合考虑测试系统的所有要求和采集卡的功能，本系统选用了美国国家仪器（NI）公司生产的MCC-118型号的采集卡。1.1.2数据采集卡MCC-118的介绍MCC-118是一款测量电压的高速电压采集数据采集模块。MCC-118接头可直接安装与树莓派内置40针通用输入输出（GPIO）连接器。MCC-118单板数据采样率最大为100KS/s，工作时同时采集8路信号，每一个采集通路的采样频率为12.5kHz，即一次采样所需要的时间为0.08ms。大多数型号的高速铁路电磁继电器动作一次的时间约为100ms~300ms，在衔铁动作一次的时间内，MCC-118的采样点至少为1250个，可以保证采样数据的准确性和完整性。MCC-118提供8个12位单端模拟输入。模拟信号电压范围为±10V，满量程的绝对精度为20.8mV，满足采集精度要求。MCC-118的触发方式有：（1）外部扫描时钟：通过软件选择对应的时钟模式，双向输入输出的时钟引脚，可以让用户选择使用外部时钟信号操作或者选择内部扫描时钟信号进行操作。（2）数字触发：使用软件来设置外部数字触发的输入条件，可选择的触发条件包括上升沿触发、下降沿触发、高电平触发或者低电平触发等方式。MCC-118电源由树莓派通过GPIO输入端口连接器提供1.3V电源。操作系统为Linux或Raspberry，支持的开发方式包括C、C++、Python。内置缓存器支持高速采集。MCC-118工作原理框图如图3-10所示。MCC-118采用SPI（SerialPeripheralInterface）通讯协议，是Motorola公司推出的一种同步串行接口通讯技术，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，支持全双工通信，通信简单且传输速率快。图3-10MCC-118工作原理框图1.1.3电流传感器的选择前文中通过分析对比电流采样的方法，最终确定通过霍尔电流传感器对线圈电流信号进行采集。霍尔电流传感器的制作理论依据为霍尔效应原理。霍尔效应是一种电磁效应，是美国的物理学家霍尔在1879年研究金属的导电原理时所发现的一种现象。当一个半导体上被施加和电流运行方向垂直的磁场后，导致这个半导体内的电子和空穴由于受到的洛伦兹力的方向不同而产生在不同方向上聚集的现象，聚集起来的电子和聚集起来的空穴之间会产生一个新的电场，当新的电场产生的电场力和洛伦兹力相互抵消后，电子和空穴将停止聚集，这时电场会把后来的电子和后来的空穴所受到的电场力的作用用来抵消磁场对电子和空穴产生的洛伦兹力，这样后来的电子和后来的空穴就不会产生聚集而顺利通过，这个现象被称为霍尔效应，聚集的电子和聚集的空穴所产生的新的电场内的电压被称为霍尔电压。图3-11为霍尔效应原理示意图，假设长方体导体的长度、宽度和高度分别为a、b、d，磁场垂直于ab平面，设磁感应强度为B。当电流留过导体的ad平面时产生电流I： （1.14）其中，n：单位体积内的带电粒子的数量；q：单个带电粒子的电荷数量；v：带电粒子的移动速度；S：导体的横截面积。 图3-11霍尔效应原理示意图假设UH为霍尔电压，导体内沿UH方向产生的电场E=U/b，又因为洛伦兹力Fm和电场力Fe相等，因此： （1.15）将式（1.15）代入（1.14）得： （1.16）则霍尔电压表达式为： （1.17）霍尔电流传感器按照工作方式可以分为开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。开环型式的电流传感器原理简单，可靠性高，具有很强的过载能力并体积也较小，但是缺点也很明显比如：温度的变化对其结果的影响较大，测量结果的精准度较低，同时动作时间较长，控制频率跨度较小等。闭环型式的霍尔电流传感器的测试精准度较高，动作速度较快，控制频率的跨度加大，但是其过载能力较差并且体积也较大，同时由于制作过程比较复杂导致其价格也普遍偏高。开环型式的霍尔电流传感器也被称为直放式霍尔电流传感器或者直检式霍尔电流传感器。开环型式的霍尔电流传感器主要构成元件有铁芯、放大电路以及霍尔元件等，在环形铁芯上有一个开口气隙，霍尔元件被放在气隙处，传感器结构原理图如图3-12所示。当原边导体上流过电流的时候，原边导体的四周会产生一个磁场，磁场的磁场强度和流过电流的大小成正比，铁芯把磁力线聚集在气隙的位置，霍尔元件的输出电压信号和气隙位置的磁感应强度的大小成正比：UH=KBI，K为灵敏度系数。放大电路将该电压信号放大后输出，该类传感器通常输出±10V左右的电压信号，也有部分传感器为了使电