转自： 　　　　

1 引言  


　　地面车用电源系统（以下简称电源系统）输出电流的检测与控制，直接关系着电源系统工作的稳定性和可靠性，并影响车辆的运行状况及车辆的可操作性。由于车辆复杂的使用条件导致车用电源的负载变化较大，随之电源的输出功率也将发生较大变化，若对电源的输出电流不加限制，会造成电源因过载而发热，影响其功率输出，严重情况下会导致电源永久失效。
 
    闭环霍尔电流传感器（以下简称传感器）在车用电源系统中的应用，实现了对电源系统输出电流的隔离测量，并通过反馈控制电源系统的输出电流。当电源的输出电流接近电源系统的设计功率输出时，电源输出电流将不再增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护了电源系统不会因用电负载的变化而损坏。
 
　2 闭环霍尔传感器的工作原理 


　　自1879年美国物理学家Edwin Herbert Hall发现霍尔效应以来，霍尔技术被越来越多地应用于工业控制的各个领域。随着元器件工艺技术的发展，由霍尔器件应用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也有了很大提高，特别是闭环霍尔电流、电压传感器的研制成功，大大地扩展了该项技术的应用领域。
 
　　2.1霍尔效应及霍尔器件


　　　霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电流的半导体薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压VH，VH与磁感应强度B及控制电流IC成正比，经过理论推算有式（1）关系。
 
　　　　　　　VH=（RH/d）×B×IC（1） 


　　　式中：B为磁感应强度； 
　　　IC为控制电流； 
　　　RH为霍尔系数； 
　　　d为半导体厚度。
 
　　式（1）中，若保持控制电流IC不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人们研制出了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件。
 
　　2.2 闭环霍尔电流传感器的工作原理 


　　　闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式（或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式）。众所周知，当电流流过一根导线时，将在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此，可利用霍尔器件测得的输出信号，直接反映出导线中的电流大小，即 


　　　　　　I∝B∝VH（2） 


　　　式中：I为通过导线的电流； B为导线通电流后产生的磁感应强度。 
　　　当选择适当的比例系数后，上述关系可以表示为等式。
 
　　对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环（或称直测式、直检式）霍尔电流传感器；另一类为闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电流传感器。针对霍尔传感器的电路形式而言，人们最容易想到的是将霍尔器件的输出电压用运算放大器直接进行信号放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。开环霍尔传感器的优点是电路形式简单，成本相对较低；其缺点是其精度、线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。为了克服开环传感器的不足，上世纪80年代末期，便出现了闭环霍尔电流传感器。
 
　　闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流（IN）所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流（IM）所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即 


　　　　　　N1×IN=N2×IM（3）
 
　　　式中：N1为原边线圈的匝数； 
　　　N2为副边线圈的匝数。 
　　　由式（3）可以看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。
 
　　3 闭环霍尔电流传感器的主要性能 


　　闭环霍尔电流传感器是近10年来出现的高技术模块化产品，其性能大大优于开环霍尔电流传感器，同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有许多优点。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：
 
　1）可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；
　2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV～12kV； 
　3）电流测量范围宽，可测量额定1mA～50kA电流；
　4）跟踪速度di/dt>50A/μs； 
　5）线性度优于0.1％IN； 
　6）响应时间<1μs； 
　7）频率响应0～100kHz。
 
　　4 传感器在车用电源系统中的应用 


　　闭环霍尔电流传感器的应用范围很广，目前已成功地应用于逆变焊机，发电及输变电设备，电气传动，数控机床等工业产品上。我们以额定电流为300A型霍尔电流传感器为例，说明这种传感器的应用（传感器电参数略）。在某型地面车辆上装备了一套独立的大功率发电系统，该发电系统设计选用了300Ａ型闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率。闭环霍尔电流传感器300Ａ的应用，很好地实现了上述应用目的。


　　当发电机G输出正端汇流母线穿过300Ａ的原边电流穿孔，由传感器300Ａ检测发电机的输出电流，传感器的输出IM与发电机控制盒相连，由发电机控制盒设定发电机的输出电流控制点，依据此信号，对发电机的输出电流加以限制，避免发电机因输出功率过高而发生故障或损坏，从而保证发电系统正常工作。


　　5 结语 


该传感器能够满足车用发电系统对电流检测的技术要求，已在多套地面车辆的发电系统中应用，并按相关标准进行了实验测试，测试结果受到专家的肯定。






　　霍尔零磁通式与霍尔直测式直流电流传感器，哪一种精确稳定性高？


　　　霍尔直测式直流电流传感器：原边电流Ip产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电流。霍尔零磁通式直流电流传感器，原边母排电流产生的磁场通过次极线圈的电流所产生的磁场进行补偿，当原付边的电流所产生的磁通量达到平衡时即可通过检测付边电流来测量原边母排中的电流，实现电流的隔离测量。


　　霍尔直测式产品的主要特点：
　　优势：
　　1） 解决了直测式传感器的安全可靠性从电压的变化、温度的变化、母排的位置变化、器件老化以及外部磁场变化引起的各种影响原理上低于零磁通产品的缺陷
　　2）现场可修复性
　　- 产品结构采用模块化设计，避免了传统树脂灌封方式的不可修复性
　　- 建立霍尔件筛选档案
　　3）霍尔件筛选专有技术
　　-准确检测磁场，保证产品整体性能
　　4）温度补偿专有技术
　　- 温漂控制在50PPM 以内，确保环境温度变化时仍能准确测量电流
　　5）结构简单，无附件箱，功耗低，优异性价比。


　　建议用于测量为最好，适用于铝行业及其它金属冶炼行业。


　　霍尔零磁通式产品的主要特点
　　优势：
　　1）自动磁补偿，抗干扰能力强，克服了由于电源提供可靠依据，从而安全及高效率的生产提供保障
　　- 反馈线圈具有磁屏蔽作用 
　　- 霍尔件气隙小，减少漏磁现象 
　　- 电流输出方式本身抗干扰能力强 
　　2）测量精度高，线性误差低 
　　3）稳定性高: 重复性好，温漂小 
　　4）可靠性高 
　　- 反应时间非常快，小于1us，有利于电流控制 
　　- 局部通道出故障，对整体影响小 
 
　　建议闭环用于控制为最好，适用于化工氯碱行业，电流相对较小 


 




　　从根据电流磁场产生理论来分析，使用几个围绕测量头的均匀放置的线圈进行测试与使用单独的母排进行测试所产生的磁场效果是一样的。即无论你使用哪种测试方法：1000A的母排法（1匝）和1A的多匝法（1000匝），安培定律都是同样适用的。然而，在实际应用过程中，使用多匝线圈测试测量头能够具有以下几个优势：


　　1、线圈的数量可以容易的调整以适应过流排的窗口尺寸，以形成一个均匀的磁场环绕着过流排。
　　2、线圈将有一个比较高的电感值，所以过流检测的纹波电流和谐波电流值较低。
　　3、多个上百匝数组成的线圈能够串连在一起形成一个上千匝数的母排。这样就可以利用小得多的电源（数十安培与数千安培相比较）产生这个电流。这种较小的电源可以提供较纯的和较稳定的输出
　　4、这种较小的电源可以连续运行数小时甚至数天，这对闭环传感器是很重要的，因为在测量头预热以后闭环传感器通常会在反馈电流里有较小的漂移量。依据测量头的尺寸，这可能会持续几个小时，因而，在一个足够长的预热阶段后， 测试的测试和标定可以得到最好的精度。可是就母排法而言，由于所采用的是在短回路模式下运行的较大的电源，因此进行长久多次测试是不太可能实现的。


　　母排检测法


　　通过电源产生足够大的电流去测试大电流直流传感器(小到几kA大到500kA)，不仅从成本上考虑不允许而且也不现实。因此, 通常的方法是采用较小功率电源，并且母排由多个迭片叠加迂回构成，这样用总的安培匝数来模拟母排电流。虽然这种方法看上去很理想，但还是有许多缺点：


　　在大多数情况下，层迭的母排形成一个或两个分开的多匝绕组（相当于一个或二个大线圈），这样会构成一个不平衡的磁场从而影响一些设备的校准精度。理想情况下，母排绕组应该围绕直流传感器对称地布置,但这样大多数厂商实际操作起来不现实，因为它要求一个很大空间和大量绕组，需要注意的是这种母排绕组形式与多匝法测试线圈类似但规模上更大一些。


　　母排必须有回路到电源，除非返回母排距离传感器比较远或绕组尺寸很大，否则它会产生一个不平衡的外磁场对传感器形成影响。通常情况下由于空间限制返回母排在大部分测试设施与传感器距离较近。


　　在整流器的输出端，母排的布置构成一个低电感值回路，因此母排上的电流通常存在很大的纹波和谐波成份。一个电源在这种模式下很难长时间工作，其稳定性也不能保证。


　　在许多情况下去改变母排的形状以适应不同形状和尺寸的传感器是很困难的且在一些情况下不可能实现。理想情况下，母排的形状可以大体上与传感器窗口形状大小相匹配，并且母排要占据传感器窗口一半以上的空间以保证提供最好的精度。




　　霍尔器件的输出经放大并返回到反馈电流所通过的磁场回路中，该电流在通过5,000匝的线圈时产生反馈磁场。在实践中，测量头采用多个霍尔元件和多个独立线圈结构。霍尔元件、相邻线圈和与之相关的测量单元的放大部分共同构成一个通道，每个通道几乎与其它几个通道相互独立，在各自聚磁线圈中产生磁场，从而使部分磁场为零。所有通道电流通过各自线圈后，汇合在一起成为输出电流，这一电流的大小为母排电流值的1/5,000。它通过电阻或分流器转换成电压，用于数字式仪表或分流输出。输出电流在不接其它输出设备时要用跳线器将电流输出端子短接。（测量传感体包括6个通道的放大电路，即6个放大器印刷电子线路板，一个线路板负责一个通道。测量传感体内置变压器T1和电阻或分流器将信号转换成输出电压。）


　　特点
　　1抗干扰能力强，克服了由于电源电压的变化、温度的变化、母排的位置变化、器件老化以及外部磁场变化引起的各种影响
　　2反馈线圈具有磁屏蔽作用
3霍尔件气隙小，减少漏磁现象
　　4电流输出方式本身抗干扰能力强测量精度高，线性误差低
　　5稳定性高: 重复性好，温漂小


　　可靠性高
　　1反应时间非常快，小于1us，有利于电流控制
　　2局部通道出故障，对整体影响小


　　为用户带来的主要利益
　　1电流测量准确而稳定，为客户最优化使用电
　　2能提供可靠依据，从而安全及高效率的生产
　　3提供保障安全、合理、高效率地利用生产设备
　　4提高生产率、降低成本、既能测量用又能控制用，尤其适合于控制用




　　特点
　　1抗干扰能力强，克服了由于电源电压的变化、温度的变化、母排的位置变化、器件老化以及外部磁场变化引起的各种影响
　　2反馈线圈具有磁屏蔽作用
　　3霍尔件气隙小，减少漏磁现象
　　4电流输出方式本身抗干扰能力强测量精度高，线性误差低
　　5稳定性高: 重复性好，温漂小
　　可靠性高
　　1反应时间非常快，小于1us，有利于电流控制
　　2局部通道出故障，对整体影响小
　　为用户带来的主要利益
　　1电流测量准确而稳定，为客户最优化使用电
　　2能提供可靠依据，从而安全及高效率的生产
　　3提供保障安全、合理、高效率地利用生产设备
　　4提高生产率、降低成本、既能测量用又能控制用，尤其适合于控制用




　　隔离放大器是输入级与输出级间电绝缘的放大器。隔离放大器可分为两大类：一类是电磁耦合隔离放大器，另一类是光电耦合隔离放大器。而电磁耦合隔离放大器中有一分支即：霍尔高隔离放大器，它是以霍尔元件为中心，利用霍尔效应原理、零磁通原理及电流比例仪技术研制而成的一个自平衡弱电流比较仪，


　　由电流互感器发展而来的电流比较仪能在极低安匝条件下工作，但它是靠交变磁通耦合的，只能比较交变电流。而霍尔元件能方便地检测从直流到很宽频域内的磁场，如果在磁芯上开一小气隙，将霍尔元件安置在气隙中替换检测绕组，将次级和补偿绕组合二为一，成为反馈绕组，这样就构成了闭环自平衡弱电流比较仪。


　　由于采用零磁通原理及电流比较仪技术，使得霍尔隔离放大器具有精度高、响应快、高共模抑制比，频带宽等特点，可以用以取代变压器耦合隔离放大器中的调制、解调系统，使线路简化。如果仔细调整电流比较仪的电路，还可以将放大器的频带大大展宽，使之可达DC～200KHz，而且保持了磁耦合隔离放大器的增益精度和光耦合隔离放大器的线性度，因而它是一种高精度宽频带的隔离放大器。


　　新型霍尔高隔离放大器主要用于交直流信号电压或电流的隔离检测（监测），完全可以直接取代普通类隔离放大器，因而它在空间技术、计算机技术、医疗和仪器仪表中有十分重要的应用。由于一般是根据用户要求定做，输入信号可以是直流电压，最小可以是10MV，最大可以到1000V，也可以直接与分流器配合使用（分流器可以直接输出75MV DC 信号）测量直流，电流测量范围由分流器变比确定。因此，用户不必做二次开发工作，输出直接就是标准信号0～5V或4～20MA,输入输出都通过接线端子连接(也有PCB安装方式),简单方便,产品可以直接安装在导轨上,也可以用两个螺钉固定安装。


　　隔离霍尔电压传感器即是这种隔离放大器，多年来通过广大用户的广泛应用，证明该产品输出性能稳定，可靠性高，返修率低，各项技术指标处于国内领先水平，也是国内首创高性能的直流电量隔离传感器/变送器，目前在全国各地各行业都有广泛应用。


　　以配套分流器应用为例
　　1、原边额定电压（VPN）：0—75MV（外接分流器）
　　2、原边电压测量范围（VP）：0—100MV
　　3、副边额定电流（ISN）：4—20MA (RL=250Ω) 
　　4、电源电压（VC）：±12V DC±5%
　　5、电流消耗（I C）：25mA+ IS 
　　6、绝缘电压（Vd）：2.5KV AC with 50 or 60HZ × 1 minute
　　7、精度（X）：±0.5%F.S
　　8、线性度（εL）：±0.5%F.S
　　9、失调电流（VO）：±0.1mA 以下
　　10、温度漂移（VOT）：±0.005mA/℃以内
　　11、响应时间（tr）：＜10μS
　　12频带宽度（f）：≥100KHZ
　　13工作温度（TA）：-25℃~+75℃     
　　14储存温度（TS）：-40℃~+85℃ 
 　　　　新型霍尔隔离放大器的介绍


　　在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压或其它电磁干扰损坏测量回路，通常在输入通道，采用隔离技术。在生物医疗器械中，为了防止漏电、高压等对人体的意外伤害，也常采用隔离技术。当在很大的共模电压环境中检测微小差模信号时，往往也先把共模信号隔离掉，留下差模进行测量，例如：被测现象与测量仪器之间的地电位差很大的条件下，测量差模信号就是这种情况，实现隔离的一种很有用的器件是隔离放大器。　　　自动磁补偿直流大电流传感器


　　在直流大电流测量设备中我们可以采用霍尔零磁通闭环原理，测试原理中，我们常以测量头的一个断口为代表来说明所有的电流测量系统的霍尔零磁通原理。测量头是由带气隙的聚磁线圈和反馈线圈组成，霍尔器件放在每个气隙间作为霍尔感应器件。母排电流在测量头的测量口中流过时，在线圈中产生磁场，在此磁场的作用下，霍尔器件产生一个霍尔电压，此电压经放大器放大供给反馈线圈.霍尔器件产生的电压输出与母线电流磁场和与之方向相反的反馈磁场之间的差值成比例。霍尔器件的输出经放大并返回到反馈电流所通过的磁场回路中，该电流在通过5,000匝的线圈时产生反馈磁场。在实践中，测量头采用多个霍尔元件和多个独立线圈结构。霍尔元件、相邻线圈和与之相关的测量单元的放大部分共同构成一个通道，每个通道几乎与其它几个通道相互独立，在各自聚磁线圈中产生磁场，从而使部分磁场为零。所有通道电流通过各自线圈后，汇合在一起成为输出电流，这一电流的大小为母排电流值的1/5,000。它通过电阻或分流器转换成电压，用于数字式仪表或分流输出。输出电流在不接其它输出设备时要用跳线器将电流输出端子短接。（测量传感体包括6个通道的放大电路，即6个放大器印刷电子线路板，一个线路板负责一个通道。测量传感体内置变压器T1和电阻或分流器将信号转换成输出电压。）　　自动磁补偿直流大电流传感器


　　在直流大电流测量设备中我们可以采用霍尔零磁通闭环原理，测试原理中，我们常以测量头的一个断口为代表来说明所有的电流测量系统的霍尔零磁通原理。测量头是由带气隙的聚磁线圈和反馈线圈组成，霍尔器件放在每个气隙间作为霍尔感应器件。母排电流在测量头的测量口中流过时，在线圈中产生磁场，在此磁场的作用下，霍尔器件产生一个霍尔电压，此电压经放大器放大供给反馈线圈.霍尔器件产生的电压输出与母线电流磁场和与之方向相反的反馈磁场之间的差值成比例。　　　直流大电流传感器的测试标定方法 
******************************************************************** 霍尔电流传感器简介 ：http://blog.21ic.com/user1/5877/archives/2010/72879.html
随着汽车以及内燃机汽车技术的发展，汽车电池、电流管理逐渐变成未来汽车技术的焦点。开环霍尔电流传感器，虽然精度和反应速度稍差一点，但是在成本和能耗方面具有更多优势，被很多顶级汽车制造企业广泛采用。 　　常规测试电池电流的方法是分流器（标准电阻）和霍尔感应式技术。霍尔技术的原理是霍尔元件感应在导流排或线束周围的磁场，从而标定电流强度。霍尔技术又可分为开环技术与闭环技术。一般而言，基于分流器技术的电流测试器的成本比霍尔式的低，但是其能耗较高，容易引起发热及静态放电现象，难以满足某些苛刻的节能使用条件。此外，分流器技术是把测试设备串连在电池电路中，可能会引起电路噪声和信息失真。 　　闭环霍尔电流传感器的电流应用范围很宽，从几毫安到几千安培都可以测试。这种方法的优势是传感器与被测系统隔离，不会对被测系统产生噪声影响，而且不会在被测系统中引起能量损失。可以说，闭环霍尔电流测试法是上述三种技术中性能最高的。开环霍尔电流传感器也具有这个特点，而且功耗和成本都很低，但是系统精度和反应速度不及闭环。 　　霍尔电流传感器靠捕捉电流产生的磁场来计算电流强度。霍尔元件产生的感生电压与源边电流是成比例的，这个霍尔元件嵌入到ASIC中（专用集成电路），该芯片主要用来把感生电压转换成信号输出。非接触式的霍尔器件不会影响被测系统，在测试大电流、大功率的系统中也不会产生功耗。 　　霍尔测试系统由磁芯、电子部件（霍尔元件嵌入其中）和电子部件外壳三部分组成。磁芯将电流感生的磁场分布聚集起来集中到集成有霍尔元件的芯片的表面，它通常由不同混合比的硅钢或者镍钢合金制成，目前越来越多地将霍尔元件与放大电路集成到一个ASIC里面。输出电压表示被测电流产生的磁通量的强弱，电路不仅可以把霍尔元件产生的电动势变成含有电流强度的信号，还具有自动过滤错误信号的功能，这个功能根据产品标定值来完成。标定值存储在芯片的内存中，电路会把信号与标定值相比较，去掉不正确的信号。