基于磁場(chǎng)檢測(cè)的非接觸電流測(cè)量?jī)x研究

于曉娜

(太原明力達(dá)電力設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030006)

1 研究意義

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出直流電壓與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，因此檢測(cè)它的輸出電壓就能間接地檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一些控制信號(hào)也是直流信號(hào)，需要檢測(cè)，但直流檢測(cè)往往存在兩個(gè)最明顯的困難:1)直流測(cè)量?jī)x表不便串入電路中;2)直流檢測(cè)電路與被測(cè)電路不能直接耦合，否則就會(huì)影響被測(cè)電路的直流工作點(diǎn)，即直流檢測(cè)的隔離成為問題。這使傳感器和周圍的電子電氣隔離和保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)電氣設(shè)備的各種非接觸性測(cè)量中，基于磁場(chǎng)檢測(cè)的非接觸電流測(cè)量?jī)x研究便成為現(xiàn)在研究的一個(gè)方面，如何更加快捷，安全，有效的通過對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)而得出電流就顯得更加的重要。

磁阻效應(yīng)(Magnetoresistance Effects)是指某金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某一速度的載流子所受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，比該速度慢的載流子將向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的，在傳感器線性范圍內(nèi)，其輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比，進(jìn)而檢測(cè)出被測(cè)導(dǎo)線的電流值。

2 磁場(chǎng)測(cè)量的理論基礎(chǔ)

根據(jù)奧斯特實(shí)驗(yàn)，電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，一個(gè)無限長(zhǎng)直導(dǎo)線在通以電流I時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)形的感應(yīng)磁場(chǎng)，在距該導(dǎo)線距離為R處，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B為:

其中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;μ為介質(zhì)中的磁導(dǎo)率，H/m;I為導(dǎo)線中電流強(qiáng)度;π為圓周率;R為導(dǎo)線與傳感器之間的距離，m。

當(dāng)導(dǎo)線非無限長(zhǎng)時(shí)，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B表達(dá)為:

其中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;μ為介質(zhì)中的磁導(dǎo)率，H/m;I為導(dǎo)線中電流強(qiáng)度;π為圓周率;R為導(dǎo)線與傳感器之間的距離，m;α1，α2均為測(cè)量點(diǎn)與導(dǎo)線兩端所成的夾角，(°)。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，一個(gè)圓柱形的導(dǎo)體或者空心圓柱形的導(dǎo)體，在有電流I通過時(shí)其在導(dǎo)體外部產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效成由圓柱中心處的一個(gè)線電流I所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

隨著全球能源的逐漸枯竭、大氣污染的不斷加劇以及氣溫上升帶來的危害加重,越來越多的人意識(shí)到節(jié)能減排是社會(huì)發(fā)展的方向。因此,電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生,并迅速得以廣泛應(yīng)用[1]。電動(dòng)汽車作為電力負(fù)荷,其充電行為具有間歇性和隨機(jī)性。在電動(dòng)汽車充電過程中,由于充電器本身包含各種非線性特性的電力電子元件,會(huì)向電力系統(tǒng)注入諧波,當(dāng)諧波超過一定范圍,將會(huì)給電網(wǎng)帶來諧波污染,從而對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,同時(shí)也將縮短電池的壽命,因此對(duì)電動(dòng)汽車充電過程中的諧波進(jìn)行分析和檢測(cè)具有重要意義[2-4]。

3 總體方案

電流檢測(cè)是檢查電力系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障診斷的重要手段。由于通電導(dǎo)線周圍伴生相應(yīng)的感應(yīng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與電流強(qiáng)度和距導(dǎo)線的距離有關(guān)。采用單軸磁傳感器測(cè)量通電導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的大小來實(shí)現(xiàn)非接觸式電流檢測(cè)。

主要任務(wù):連接一個(gè)待測(cè)電流的實(shí)驗(yàn)電路，根據(jù)霍尼韋爾傳感器的原理，霍尼韋爾傳感器檢測(cè)出電流引起的磁場(chǎng)的大小，檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度形成檢測(cè)輸入信號(hào)?；裟犴f爾傳感器將測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的電壓值，然后信號(hào)再經(jīng)過信號(hào)放大器，A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)AT89C51中，最后經(jīng)過LCD顯示出被測(cè)電流。在掌握基于磁場(chǎng)檢測(cè)的非接觸電流測(cè)量?jī)x的工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于單軸磁傳感器的非接觸電流測(cè)量?jī)x單片機(jī)電路設(shè)計(jì)，編寫單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)電流強(qiáng)度實(shí)時(shí)測(cè)量，并用protues+Keil仿真調(diào)試。

任務(wù)分為:傳感器模塊，鍵盤模塊，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理和對(duì)系統(tǒng)的控制。

傳感器模塊采集被測(cè)導(dǎo)線周圍的磁信號(hào)，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過二級(jí)放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D轉(zhuǎn)換器將電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送到單片機(jī)中。

鍵盤模塊給單片機(jī)送入傳感器與被測(cè)導(dǎo)線距離值。

單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器和鍵盤送來的值進(jìn)行處理，然后經(jīng)過相應(yīng)的算法轉(zhuǎn)化為被測(cè)電流值，送到LCD顯示模塊進(jìn)行顯示。

連接一個(gè)待測(cè)電流的實(shí)驗(yàn)電路，根據(jù)霍尼韋爾傳感器的原理，霍尼韋爾傳感器檢測(cè)出電流引起的磁場(chǎng)的大小，檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度形成檢測(cè)輸入信號(hào)?；裟犴f爾傳感器將測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的電壓值，然后信號(hào)再經(jīng)過信號(hào)放大器，A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)中，最后經(jīng)過LCD顯示出被測(cè)電流。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

方案中用到的AT89C51單片機(jī)，霍尼韋爾傳感器HMC1021Z，OP07放大電路，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，液晶顯示器LCD1602。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編程，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括初始化模塊、A/D采樣處理模塊等部分，修改和維護(hù)十分方便。初始化模塊主要完成各個(gè)端口以及2個(gè)計(jì)時(shí)器的初始化，并定義使用的各個(gè)端口。A/D采樣處理模塊主要是對(duì)從ADC0809采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)送到LCD1602限時(shí)。ADC0809與單片機(jī)系統(tǒng)AT89C51的連接采用循環(huán)掃描的方式。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809向CPU發(fā)出一個(gè)信號(hào)，CPU對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行處理，使LCD顯示當(dāng)前的電流值。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

采用protues進(jìn)行仿真。由于protues中沒有磁阻傳感器，本仿真用測(cè)量滑動(dòng)變阻器兩端的電壓代替磁阻傳感器的輸出電壓，電壓經(jīng)過放大器放大后，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送到單片機(jī)中，單片機(jī)經(jīng)過相應(yīng)的算法將磁場(chǎng)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為被測(cè)導(dǎo)線的電流值。單片機(jī)執(zhí)行的算法為:首先運(yùn)用導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)和導(dǎo)線電流的關(guān)系，得出導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度。導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)和導(dǎo)線電流的關(guān)系為:

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π ×10－7V·s/(A·m);R 為導(dǎo)線與傳感器的距離;I為導(dǎo)線中的電流。

然后再運(yùn)用傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓的關(guān)系，計(jì)算出傳感器輸出的電壓。傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓的關(guān)系為:

其中，16 mV/高斯為HMC1021的靈敏度。

最后計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)線中的電流:

其中，I為被測(cè)導(dǎo)線的電流;U為傳感器的輸出電壓;R為導(dǎo)線與傳感器之間的距離，在這里我們默認(rèn)R=1。

1)傳感器模塊。傳感器模塊，用滑動(dòng)變阻器取代傳感器，滑動(dòng)變阻器兩端的輸出電壓表示傳感器兩端的輸出電壓。

2)運(yùn)算放大器模塊。運(yùn)算放大器模塊，由于傳感器輸出電壓比較小，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行發(fā)電。采用OP07作為放大器，放大倍數(shù)為5倍。

3)AD轉(zhuǎn)換模塊。AD轉(zhuǎn)換模塊，將放大后的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字，以便單片機(jī)能夠識(shí)別，本仿真采用 ADC0809，采樣頻率為12 MHz。選用通道1，將 ADDA，ADDB，ADDC 都置為 0。

4)單片機(jī)模塊。單片機(jī)模塊，將ADC0809送來的數(shù)字量，經(jīng)過相應(yīng)的算法轉(zhuǎn)換為被測(cè)導(dǎo)線兩端的電壓，并將電壓值送到數(shù)碼管顯示。

5)仿真舉例。當(dāng)傳感器兩端輸出電壓U=10.06 mV時(shí)，代入公式可以得知導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng):

當(dāng)距離R=1 m時(shí)，將U=10.06代入公式即可算出導(dǎo)體中的電流I=10.06/32×102=31.562 5 A。由于精度有限，所以與顯示結(jié)果相符。

6 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)述了直流大電流測(cè)量的背景、意義和發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)各種主要原理進(jìn)行研究，為電流傳感器的開發(fā)建立良好的理論基礎(chǔ)。研究磁阻傳感器原理的基礎(chǔ)上，提出了基于霍爾韋尼傳感器檢測(cè)電流的方案，并用protues進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，能實(shí)時(shí)的檢測(cè)電流值。

[1] 陳 慶.基于霍爾效應(yīng)和空芯線圈的電流檢測(cè)新技術(shù)[D].武漢:華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2008:118.

[2] 鄧重一.利用霍爾傳感器芯片設(shè)計(jì)直流電流檢測(cè)電路[J].傳感器技術(shù)，2003，22(6):50-52.

[3] 柳立平，劉 焱.特種電流傳感器[J].傳感器技術(shù)，2003，22(12):68-69.

[4] 王 鋒，米 東，徐章遂，等.基于霍爾傳感器磁場(chǎng)檢測(cè)方案[J].儀表技術(shù)，2007(8):43-47.