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霍尔传感器状态监测电路的设计及其应用

2014/11/13 18:31:44  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

 

1 引言
传感器位于研究对象与测试系统之首,是获取与检测信息的窗口。霍尔传感器以其体积小、结构简单等优点在自动化生产中得到了广泛的应用,尤其在测试行业和大型企业中(如煤矿企业等)已成为一种不可替代的半导体器件。
由于一般的电流、电压互感器体积大、精度不高、使用不便,所以设计了霍尔传感器监测电路并据此制作了相应的电路板。该电路板可以同时分别监测三路电流和电压量,且测量电阻可根据实际需要随时更换,具有体积小、方便、快捷等优点。并以液压动力系统状态监测为实例,通过与一般电流互感器测量结果比较,表明此电路板可用于工程测试中,性能优良。
 
2 霍尔传感器状态监测电路的设计
2.1 设计时考虑的几个问题
(1)一般的电流、电压互感器由于体积大、精度不高且使用时需要固定,非常不便;而霍尔传感器具有体积小、精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等优点。(2)通常在液压动力系统状态监测中,电流信号易获取、携带着许多反映设备运行状态的有用信息。若采用合适的信号处理方法,会给状态监测乃至故障诊断工作带来极大方便;电压信号随着电网的波动或电机断相、短路等故障也会出现异常。故在状态检测过程中,获取电流、电压信号是很有必要的。(3)一般的采集卡输入信号范围为±5 V,而不同的工况、测试环境、系统等对传感器的输出信号范围都有不同的要求,故和传感器相匹配的测量电阻需要随时调整。
由此看来,为了实际测量工作的有效进行,需要设计一个电路将霍尔传感器和其匹配测量电阻加以集成,可以同时测量电流、电压信号,且测量电阻要更换方便。所以,在工程实践的基础上,设计了电路并制作了相应的电路板,给出了工程应用实例。
2.2 设计原理、电路图及需注意的问题
设计的理论基础为霍尔效应原理。霍尔效应是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子(N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中受到洛仑兹力作用而产生的。
利用基于霍尔效应的电压(HNV025A)和电流(HNC-25LA)传感器,配上各自的测量电阻(初级和次级电阻)和一些输入输出端口,设计的电路原理图如图1。
其中,霍尔电压传感器工作原理为:用磁检测器磁芯中次级电流所产生的磁场补偿初级电流所产生的磁场,使之在零磁通状态下工作,有等式NpgIp=NsgIs,IP 为初级电流,NP 为初级匝数,IS 为次级电流,NS 为次级匝数,匝数比为2 500∶1 000。
应用霍尔电压传感器时要注意以下两个问题:
(1)为使传感器达到最佳精度,应尽量选择输入电阻Ri 的大小,使输入电流达到额定值10 mA。
(2)工作范围:考虑到初级线圈内阻(与Ri 相比,为保持温差尽可能低)和隔离,此传感器适用于测量电压10~500 V。
霍尔电流传感器匝数比为11 000。在应用时要注意,测量时电流输入方向要和传感器上的所标的方向一致,否则可能导致传感器损坏。
 
 
 

测量时,霍尔电压、电流传感器通过初级测量电阻将被测量转换至适合采集卡采样的电压范围,一般是±5 V,可从输出端取样电阻上测得电压大小。
2.3 制作的电路板
图2 是制作的电路板实物图。图中给出了电路板各个部分的说明,其中电源部分有3 个接口,分别接±15 V 电源与地线,测量端子有8 路输出,1~3路是三路电压输出,4~6 路是三路电流输出,7 路是地线,8 路为备用接口(图中从左到右依次为1~8 路接口)。
 
 
 
 
3 应用实例
3.1 实验系统设计
为了验证所设计的电路及其电路板的实用能和霍尔传感器具有的优势,设计了如图3 所示的液压动力系统。
3.2 电磁溢流阀冲击,系统加载、卸载实验
3.2.1 实验设计
实验内容:
(1)溢流阀冲击实验。电机4 启动后,给电磁溢流阀3DT 上电,设置其压力为8MPa,然后给其断电、通电,如此反复几次。与此同时,用霍尔电流传感器和一般电流互感器记录电流数据。
(2)系统加载、卸载实验。电机4 启动后即开始用电路板采集信号,然后用电磁溢流阀缓慢调压(升压、降压)。调压范围0~10MPa。信号采集系统框图如图4。
 
 
 
 
 
3.2.2 实验结果与分析
(1)结果一次分析。图5、图6 分别是电磁溢流阀冲击时霍尔电流传感器采集的信号(ch1)和一般电流传感器采集的信号(ch2)的时、频比较图(同一路电流)。图7、图8 分别是系统加载、卸载时霍尔传感器采集的信号(ch1)和一般电流传感器采集的信号(ch2)的时、频比较图(同一路电流)。
 
 
 
分析:图5、图7 从时域看,每一幅上下两图波形类似,看不出大的区别。幅值的不同是由于电流传感器输出端测量电阻设置不同引起的。图6、图8 从频域看,每一幅上下两图都给出了系统的基本信息,工频50Hz 及其边频25Hz、75Hz(边频宽度25Hz,正好是电机轴转频)、齿轮泵泵油频率250 Hz(电机转速1 500 r/min,电机轴转频为25 Hz,此即为齿轮泵轴转频,由于齿轮泵齿数为10,故泵油频率为250Hz)。但霍尔传感器还测出了工频偶数倍的谐波电流,在500 Hz 以内,100 Hz 及其2、3 倍频都有出现且和工频3、5 倍频幅值接近。
2)信号解调———结果二次分析。以上测得的电流信号是经过系统调制后的信号,需对其进行包络解调分析。采用Hilbert 变换,用Matlab 语言编程实现。结果如图9(电磁溢流阀冲击)、图10(系统加载、卸载)所示。
 
 
分析:由图9、图10 可以看出,原始信号被频率为100 Hz 的信号所调制;500 Hz 以内,调制信号频率的2、3 倍频都有出现。而这些信息在霍尔传感器所测得的信号频谱图中(如图6、图8 每幅图的第一幅图所示)已有所表现。
由以上一、二次结果分析可以看出,霍尔电流传感器与一般的电流互感器相比,测得信号所携带的信息更全,精度更高、更灵敏。
 
4 结束语
本着使用方便、简捷,且霍尔传感器具有测量结果准确、精度高、灵敏度高的特性,设计了霍尔传感器监测电路并制作了相应的电路板,并将其应用到液压动力系统状态监测中。结论如下:
(1)本电路设计合理,据此制作的电路板具有简捷、方便的特点,工程应用价值较好。
(2)霍尔传感器与一般传感器相比优势明显,其频带宽、响应快,可以测得信号携带的更为丰富的频域信息。
(3)此电路(电路板)还可根据需要做进一步改进,如再设计一套相匹配的电源系统与其封装成一体,以便使用等,相应的研究工作正在进行中。
 

 

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