電氣測試技術(shù)課程電流測量實驗的設(shè)計

史敬灼

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471023

在貫徹落實教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》的過程中，如何改革高?，F(xiàn)有的實踐教學(xué)模式與具體的教學(xué)方法，切實提高工科大學(xué)生的實踐動手能力[1,2]，成為被廣泛關(guān)注的問題之一。

課程實驗是課程教學(xué)的重要組成部分，是實踐教學(xué)中的一個主要環(huán)節(jié)，在加深學(xué)生對課程知識的理解、培養(yǎng)學(xué)生知識運用能力等方面具有重要作用[3,4]。本文以本科電氣測試技術(shù)課程的電路測量實驗為例，從實驗裝置設(shè)計與實驗內(nèi)容安排兩方面，說明了嘗試進行工科大學(xué)生實踐教學(xué)模式改革的具體做法。

1 實驗電路設(shè)計

為更好地鍛煉學(xué)生的實踐動手能力與知識運用能力，在實踐過程中培養(yǎng)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，在電氣測試技術(shù)課程的電流測量實驗中，采用教師設(shè)計的電流測量電路作為實驗裝置。實驗過程中，學(xué)生首先在電路板上焊接電子元件并逐步完成電路調(diào)試與功能測試、分析。教師自己設(shè)計實驗電路，可以保證實驗內(nèi)容與課堂講授內(nèi)容完全契合，在通過課程實驗鞏固、領(lǐng)悟所學(xué)理論知識的同時，也使學(xué)生容易上手，易于獲得成就感。

電流測量實驗的主要目的是使學(xué)生掌握基于磁場的電流開環(huán)、閉環(huán)測量方法及電路實現(xiàn)方法，熟悉相關(guān)芯片功用?；诖艌龅碾娏鳒y量方法，是目前工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的主流測量方法；上述開環(huán)、閉環(huán)測量方法，都是基于霍爾效應(yīng)，通過線圈與磁環(huán)，將被測電流量轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌隽?磁場強度)，再利用霍爾(Hall)元件測量磁場強度來實現(xiàn)電流測量的。為便于安裝Hall元件來實現(xiàn)磁場強度的準(zhǔn)確測量，采用開口磁環(huán)形成主磁路，開口寬度稍大于Hall元件厚度。在磁環(huán)上，采用漆包線繞制線圈，被測電流通過該線圈，在磁環(huán)中產(chǎn)生磁場，磁力線穿過磁環(huán)開口處的Hall元件。在該磁場作用下，Hall元件輸出端呈現(xiàn)出與磁場強度成比例的電壓信號。將該電壓信號接入實驗電路進行處理，就實現(xiàn)了電流測量。實驗電路設(shè)計如下。

1.1 基于磁場的開環(huán)電流測量

如圖1所示為開環(huán)電流測量實驗電路的原理圖，其電流測量范圍為0～±2 A。該電路既可用于測量直流電流，也可用于測量交流電流。圖中元件T2為測試點，是為了便于連接示波器探頭進行信號測試而額外加入的。圖中插座J3用于連接Hall傳感器芯片。

圖1 開環(huán)電流測量電路原理圖

Hall傳感器芯片在+5 V電源電壓供電情況下，輸出電壓基準(zhǔn)值(指磁場強度=0時的輸出電壓值)為2.5 V。為使圖1所示電路的電流測量輸出值與被測電流值成正比，圖中運算放大器U2A-TLC2272構(gòu)成的電路單元用來將Hall芯片輸出電壓的零點由2.5 V變?yōu)? V。運算放大器U2B-TLC2272構(gòu)成放大倍數(shù)為3的放大電路，使圖1所示電路的輸出電壓值具有合適的量級。

在圖1所示電路T2點測得電路輸出電壓值uo，就可以按照比例關(guān)系計算出被測電流值，計算式為

式中，iin為被測電流；U0為偏置電壓值，是被測電流為0時的電路輸出電壓值；比例系數(shù)K1為被測電流通過線圈在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁場強度值與電流值之比；比例系數(shù)K2為Hall芯片輸出電壓值與磁場強度值之比，可在芯片說明書中查知；比例系數(shù)K3為圖1所示電路對Hall芯片輸出電壓的放大倍數(shù)，已知K3=3。

式(1)中未知的比例系數(shù)K1，與通過被測電流的線圈匝數(shù)、磁環(huán)所用磁性材料的磁化特性、磁環(huán)尺寸和結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)。常用磁性材料的磁化特性曲線都是非線性的，其曲線斜率不固定，這意味著K1不是常數(shù)。本實驗中，通過對磁環(huán)的適當(dāng)選取、限制被測電流范圍等措施，可使所用磁環(huán)的磁化曲線近似為線性，從而使K1可取為常數(shù)。

一方面，由于每片Hall芯片、每個磁環(huán)、每塊電路板上的電阻元件值均有差異，式(1)中的系數(shù)值也會略有差異。另一方面，磁環(huán)所用磁性材料的磁特性、電路元件參數(shù)均會隨時間發(fā)生變化。因而，對式(1)中的系數(shù)值，在電流測量裝置設(shè)計、制造過程中的初始實驗測定及使用過程中的定期實驗測定，是保持電流測量精度的必要措施。實驗中，學(xué)生可以進行以被測電流值為橫軸、開環(huán)電流測量電路輸出電壓值為縱軸的性能曲線數(shù)據(jù)測試。這樣測得的實驗曲線，其斜率等于K1K2K3。然后，電流測量中，測得T2電壓值，即可根據(jù)所得參數(shù)計算被測電流值。

1.2 基于磁場的閉環(huán)電流測量

如圖2所示為閉環(huán)電流測量實驗電路的原理圖，其電流測量范圍為0～±2 A。該電路既可用于測量直流電流，也可用于測量交流電流。圖中元件Te，T3，T4，T5，T6為測試點。圖中插座J4用于連接Hall傳感器芯片。

圖2 閉環(huán)電流測量電路原理圖

閉環(huán)電流測量所用磁環(huán)上有兩個線圈。除了與開環(huán)測量時相同的流過被測電流的線圈(下文稱其為“1號線圈”)之外，又增加了一個線圈(下文稱其為“2號線圈”)，新增線圈中流過電流所產(chǎn)生的磁場方向與被測電流磁場方向相反。當(dāng)兩個線圈各自產(chǎn)生的磁場強度大小相等、方向相反時，磁環(huán)中的磁場強度為0；此時，兩線圈中的電流比等于匝數(shù)反比。圖2中插座J5用來連接2號線圈兩個端點。

如圖2中虛線框所示，電路包含零點偏移、PI控制器、控制量合成與功率放大、輸出電壓跟隨等幾個功能單元。下面依次進行簡要介紹。

1.2.1 零點偏移

這一電路單元由U3A-TLC2274構(gòu)成。其功用與上述圖1電路中的U2A單元相同，減去A1324芯片的輸出電壓基準(zhǔn)值，使得零磁場情況下的U3A輸出(測試點Te)電壓值為0。與圖1電路不同的是，這里增加了電位器R19，以確保零磁場情況下的測試點Te電壓值為0。實驗過程中，在開始其他調(diào)試之前，首先應(yīng)在J5未連接、被測電流為0的情況下，調(diào)節(jié)R19使測試點Te電壓值為0。

1.2.2 PI控制器

這一電路單元是閉環(huán)控制器，由運算放大器U3BTLC2274，U3D-TLC2274構(gòu)成，其參數(shù)直接決定測量性能。由圖2可以看出，U3B電路單元是比例系數(shù)為10的比例放大器，U3D電路單元則是一個積分電路；兩者的輸出信號在U4-OPA551的反相輸入端相加，合成為PI控制信號。實驗過程中，可通過調(diào)節(jié)電位器R210來改變積分電路的積分系數(shù)，實現(xiàn)對閉環(huán)控制性能的調(diào)節(jié)。

1.2.3 控制量合成與功率放大

這一電路單元由大電流輸出的運算放大器U4-OPA551構(gòu)成。U4連接為放大倍數(shù)為1的反相加法器，實現(xiàn)對PI控制信號的合成；同時，U4的大電流輸出能力又使其成為一個功率放大器，足以提供2號線圈所需電流。

1.2.4 輸出電壓跟隨

電阻R28兩端電壓就是電流測量輸出值。為減小負(fù)載效應(yīng)對測量準(zhǔn)確度的影響，設(shè)置U3C-TLC2274構(gòu)成的電壓跟隨器。

2 實驗內(nèi)容設(shè)計

首先，學(xué)生焊實驗電路板并進行調(diào)試，確認(rèn)電路功能良好、元件焊接無誤。其次，在教師指導(dǎo)下，在磁環(huán)上繞制1號線圈、2號線圈，貼裝Hall芯片。最后，依次進行下列實驗。

2.1 開環(huán)電流測量實驗

(1)測量并記錄0輸入電流情況下的輸出電壓值(測試點T2)，即U0，供后續(xù)測量過程中計算電流使用。

(2)緩慢調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源電流調(diào)節(jié)旋鈕，使流入1號線圈的電流逐漸增大；使用示波器測量并記錄直流穩(wěn)壓電源電流顯示值、測試點T2電壓值。建議范圍為0～2 A，間隔0.2 A測量一次。

(3)將電流調(diào)節(jié)旋鈕左旋至底，將穩(wěn)壓電源兩輸出端子與1號線圈兩端子反向連接，即，使輸入電流反接。重復(fù)步驟(2)。

(4)討論、分析開環(huán)電流測量可能存在的測量誤差及誤差來源，討論改進措施。

2.2 閉環(huán)電流測量實驗

(1)確定1號線圈、2號線圈的連接關(guān)系、匝數(shù)比。

(2)在J5未連接、被測電流為0的情況下，用示波器觀測測試點Te波形，調(diào)節(jié)電位器R19使測試點Te的電壓值為0。

(3)電路板斷電。將直流穩(wěn)壓電源的一路輸出調(diào)整為電流控制模式，電流調(diào)節(jié)旋鈕左旋至底(0)；其兩輸出端子中的紅色一端連接1號線圈“+”端，黑色一端連接1號線圈另一端。2號線圈插頭插入J5。示波器探頭連接測試點Te，T6，觀測兩點波形。

(4)電路板通電?？焖僬{(diào)節(jié)連接1號線圈的直流穩(wěn)壓電源電流調(diào)節(jié)旋鈕(下文簡稱為“電流旋鈕”)至小于2 A的某一非零值，用示波器觀測Te，T6動態(tài)響應(yīng)過程波形，記錄直流穩(wěn)壓電源顯示的輸入電流值、Te和T6的穩(wěn)態(tài)值等數(shù)據(jù)。電流旋鈕歸0。

(5)快速調(diào)節(jié)電流旋鈕至不同的電流值，重復(fù)步驟(4)。

(6)調(diào)節(jié)電位器R210，重復(fù)步驟(4)、步驟(5)，觀測波形，比較調(diào)節(jié)前后的波形異同，分析原因，了解控制器參數(shù)對自動控制系統(tǒng)性能的影響。

(7)討論、分析閉環(huán)電流測量可能存在的測量誤差及誤差來源，討論改進措施。

3 結(jié)語

為切實提高學(xué)生實踐動手能力、貼合課程教學(xué)內(nèi)容，本文在電氣測試技術(shù)課程的電流測量實驗中，嘗試采用教師自己設(shè)計的電路板進行課程實驗。實驗內(nèi)容不再是實驗臺接線與記錄，而是掌握實驗電路原理與設(shè)計、電路板焊接與調(diào)試、分析與討論。實際應(yīng)用表明，這種不同以往的課程實驗方式，深受學(xué)生歡迎，學(xué)生的知識運用能力和實踐能力得到顯著提升。