基于霍尔传感器电参量测量系统的设计

在自动测控系统中，常需要测量和显示有关电参量。目前大多数测量系统仍采用变压器式电压、电流互感器，由于互感器的非理想性，使得变比和相位测量都存在较大的误差，常需要采用硬件或软件的方法补偿，从而增加了系统的复杂性。采用霍尔检测技术，可以克服互感器这些缺点，能测量从直流到上百千赫兹的各种形状的交流信号，并且达到原副边不失真传递，同时又能实现主电路回路和电子控制电路的隔离，霍尔传感器的输出可直接与单片机接口。因此霍尔传感器已广泛应用于微机测控系统及智能仪表中，是替代互感器的新一代产品。在此提出了利用霍尔传感器对电参量特别是对高电压、大电流的参数的测量。

l 测量原理
1．1 霍尔效应原理
如图1所示，一个N型半导体薄片，长度为L，宽度为S，厚度为d，在垂直于该半导体薄片平面的方向上，施加磁感应强度为B的磁场，若在长度方向通以电流Ic则运动电荷受到洛伦兹力的作用，正负电荷将分别沿垂直于磁场和电流的方向向导体两端移动，并聚集在导体两端形成一个稳定的电动势UH，这就是霍尔电动势(或称之为霍尔电压)，这种现象称为霍尔效应。霍尔电压的大小UH=RIB／d=KHICB，其中R为霍尔常数；KH为霍尔元件的乘积灵敏度。

1．2 用霍尔传感器测量电参量的原理
由霍尔电压公式可知：对于一个成型的霍尔传感器，乘积灵敏度KH是一恒定值，则UH∝ICB，只要通过测量电路测出UH的大小，在B和IC两个参数中，已知一个，就可求出另一个，因而任何可转换成B或J的未知量均可利用霍尔元件来测量，任何转换成B和I乘积的未知量亦可进行测量。电参量的测量就是根据这一原理实现的。若控制电流IC为常数，磁感应强度B与被测电流成正比，就可以做成霍尔电流传感器测电流，若磁感应强度B为常数，IC与被测电压成正比，可制成电压传感器测电压，利用霍尔电压、电流传感器可测交流电的功率因数、电功率和交流电的频率。
由UH=KICB可知：若IC为直流，产生磁场B的电流IO为交流时，UH为交流；若IO亦为直流，则输出也为直流。当IC为交流，IO亦为直流时，输出与IC同频率的交流且其幅值与被测直流IO大小成正比，改变被测电流IO的方向，输出电压UH极性随之改变。故利用霍尔传感器，既可对直流量进行测量，亦可对交流量进行测量。

2 系统结构简图
检测系统构成如图2，被测量经霍尔传感器转换为电压信号，经信号调理电路和多路转换开关选择，通过A／D转换器送给单片机，单片机采用89C51，是该系统的主控器，键盘选用2×4键盘，用于选择被测量的种类，采用数码管或液晶显示被测量的大小。