一種應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的霍爾電流傳感器設(shè)計(jì)

趙振起 遲 超 董新平 王 輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱150028）

電流傳感器越來越廣泛應(yīng)用于航空、航天、火車、船舶等領(lǐng)域，用于電機(jī)伺服器對(duì)電流進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)為非接觸式、靈敏度高、精度高，但隨著使用環(huán)境越來越嚴(yán)苛復(fù)雜，在面對(duì)高低溫、高濕、低氣壓、振動(dòng)、沖擊等應(yīng)用環(huán)境時(shí)，電流傳感器會(huì)出現(xiàn)性能降低、失效等問題。因此設(shè)計(jì)了一種高環(huán)境適應(yīng)性的雙路閉環(huán)霍爾電流傳感器，以滿足嚴(yán)苛復(fù)雜使用環(huán)境的需要。

1 工作原理

傳感器工作原理是應(yīng)用霍爾磁平衡式測(cè)量原理，如圖1 所示[2]。待測(cè)導(dǎo)線中的原邊電流I1在聚磁環(huán)中產(chǎn)生了初級(jí)磁場(chǎng)B1，作用于霍爾元件，使其有電壓信號(hào)輸出，該電壓信號(hào)經(jīng)放大輸入到功率放大器，通過功率放大器輸出次級(jí)電流I2，I2流經(jīng)纏繞在聚磁環(huán)上，匝數(shù)為N2的次級(jí)補(bǔ)償線圈。次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B2與原邊電流I1產(chǎn)生的初級(jí)磁場(chǎng)B1相反，因而補(bǔ)償了初級(jí)磁場(chǎng)，使霍爾輸出逐漸減小，當(dāng)初次級(jí)磁場(chǎng)相等時(shí)，補(bǔ)償電流不再增大，從而達(dá)到磁平衡式狀態(tài)。它采用磁補(bǔ)償,保證霍爾器件工作在零磁場(chǎng)狀態(tài), 從而避免了霍爾器件本身帶來的精度、線性度、溫度特性等影響,能夠提高測(cè)量?jī)x的精度和線性度，以及溫度穩(wěn)定性。

圖1 電流傳感器原理圖

當(dāng)霍爾元件達(dá)到磁平衡式狀態(tài)時(shí)，則有I1N1=I2N2。因此可以通過次級(jí)電流，以及待測(cè)導(dǎo)線與次級(jí)線圈匝數(shù)比，得到計(jì)算的原邊電流的公式。

式中：

I1-初級(jí)線圈電流，A；

N1-初級(jí)線圈匝數(shù)；

I2-次級(jí)線圈電流，A；

N2-次級(jí)線圈匝數(shù)。

可算出待測(cè)導(dǎo)線流經(jīng)電流。

2 結(jié)構(gòu)及環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

影響產(chǎn)品性能穩(wěn)定的因素主要為霍爾元件與聚磁環(huán)的相對(duì)位置，電子元器件及原材料的工作溫度及潮濕環(huán)境下的電子元器件穩(wěn)定工作，因此為保證產(chǎn)品有良好的環(huán)境適應(yīng)性，環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)目前主要從以下幾方面進(jìn)行：

（1）力學(xué)設(shè)計(jì)（振動(dòng)、沖擊）；

（2）熱設(shè)計(jì)（高溫、低溫）；

（3）三防設(shè)計(jì)（防潮濕、防霉菌、防鹽霧）。

2.1 力學(xué)環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

傳感器整體采用灌封一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由外殼、霍爾元件及聚磁環(huán)組件、電路組件、電氣連接部分等構(gòu)成，外殼材料采用鋁合金（2A12T4），機(jī)械加工成型后，表面黑色陽(yáng)極化處理。內(nèi)部使用南大704 冷硫化膠實(shí)現(xiàn)灌封固定，全密封一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，霍爾元件置于聚磁環(huán)氣隙處，能最大程度地感應(yīng)垂直穿過霍爾元件的磁場(chǎng)[3]，保證霍爾元件及聚磁環(huán)相對(duì)位置穩(wěn)定,如圖2 所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)分解示意圖

2.2 熱學(xué)環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)

除外殼為鋁合金外，用于灌封的南大704 膠，固化后使用溫度范圍為（-50～250）℃，且在（-50～125）℃范圍內(nèi)，固化后的膠體隨溫度變化極小，不會(huì)對(duì)傳感器性能有影響。所用電子元器件的工作溫度范圍均為（-55～125）℃，遠(yuǎn)寬于常規(guī)傳感器的使用環(huán)境溫度范圍，使傳感器工作溫度達(dá)到（-50～125）℃。

2.3 三防設(shè)計(jì)

整個(gè)電路組件噴涂三防漆（TS01-3），起到三防保護(hù)作用，該材料用于保護(hù)電路板免受外界環(huán)境的侵蝕。具有良好的耐高低溫性能；其固化后形成一層保護(hù)膜，具有優(yōu)越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防老化等性能；其內(nèi)部各種性質(zhì)穩(wěn)定，在長(zhǎng)期存放條件下材料內(nèi)部性質(zhì)不發(fā)生變化[4]。

3 電路設(shè)計(jì)

霍爾電流傳感器的電路原理如圖3 所示[5]。

主要有電磁轉(zhuǎn)換、磁電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、功率放大和取樣輸出五部分組成，完成對(duì)電機(jī)電流的采樣、信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)理、信號(hào)輸出的功能。

圖3 傳感器電路原理圖

在額定工況時(shí)，電流主要由R1 支路、運(yùn)算放大器、功放電路構(gòu)成，功放電路電流大小為40mA,因此合計(jì)電流約61.4mA。傳感器靜態(tài)工作時(shí)，可通過調(diào)試電阻R7 實(shí)現(xiàn)功放電路控制，并調(diào)整功放電路靜態(tài)電流為0mA 左右。傳感器在額定120A 條件下工作時(shí)，根據(jù)磁平衡原理可實(shí)現(xiàn)功放電路輸出電流40mA，通過聚磁環(huán)3000 圈的加工精度，從而控制額定輸出的誤差。通過對(duì)元器件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，及溫度參數(shù)選擇，可實(shí)現(xiàn)在電路控制中，對(duì)熱零點(diǎn)漂移進(jìn)行控制。

在傳感器設(shè)計(jì)中，采用高精度的繞線控制技術(shù)，從而可控制電流繞線誤差在±0.2%FS。而磁平衡時(shí)電流傳感器輸出的線性度主要受繞線誤差影響，因此可控制傳感器線性度。

C2，C3 組成抗電瞬變干擾電路，為提高電路可靠性，C2 或C3 均由二個(gè)電容串聯(lián)組成，即使有一個(gè)電容“短路”，也不會(huì)使電路失效和影響外電源工作。

4 試驗(yàn)結(jié)果

產(chǎn)品制作完成后，使用高精度大電流發(fā)生器對(duì)電流傳感器進(jìn)行電性能測(cè)試；使用高低溫試驗(yàn)箱，溫濕度試驗(yàn)箱，真空試驗(yàn)箱，振動(dòng)臺(tái)，沖擊臺(tái)對(duì)電流傳感器進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。在環(huán)境試驗(yàn)前后對(duì)傳感器進(jìn)行性能檢測(cè)并對(duì)比結(jié)果。

表1 環(huán)境試驗(yàn)前后性能檢驗(yàn)

表2 環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，環(huán)境試驗(yàn)前后，產(chǎn)品性能保持穩(wěn)定，線性度、測(cè)量精度、熱零點(diǎn)漂移等參數(shù)僅有微小變化。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種可以適應(yīng)復(fù)雜使用環(huán)境的雙路閉環(huán)霍爾電流傳感器，具有體積小，測(cè)量范圍寬，高精度、高可靠性的特點(diǎn)。經(jīng)過測(cè)試，此電傳感器測(cè)量精度可達(dá)0.18%FS，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)4.3μs，且工作溫度可達(dá)（-50～125）℃，且最大溫漂不超過0.064mA/℃。在高低溫、高濕、低氣壓、振動(dòng)、沖擊等復(fù)雜使用環(huán)境下仍保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定功能完善，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、火車、汽車等對(duì)環(huán)境適應(yīng)性有高要求的領(lǐng)域。