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标题: 磁传感器的测量电流的应用 [打印本页]
作者: yuyang911220    时间: 2017-4-24 09:19     标题: 磁传感器的测量电流的应用

概述：
此应用描述了用磁传感器来测量电流的基本原理，并提供了一些方法，以及每种方法的优缺点。
导论：
测量电流，有很多种方法，最通用的方法是使用阻性分流器，互感器，或磁传感器。
阻性分流器应用欧姆定律：通过分流器的电流与分流器两端的电压值成正比，分流器相当于与负载串联。这种方法的优点是：精度高，低偏差，缺点是无法提供电绝缘和高的温飘。因而短暂的峰值可能烧伤分流器，并有可能导致电子元件的过载。
互感器由一个初级线圈和一个次极线圈，包围着一个磁芯组成，初级线圈产生电流，使磁芯感应出磁场，从而使次极线圈产生感应电流，与初级电流成正比，
比例大小由匝数决定。互感器提供了电气绝缘，但只能工作于交流电，并且体积大。
磁传感器则集中了上述两种方法的优点，Honeywell 的磁阻传感器提供了高灵敏度，小体积，固态结构，并可用于非接触传感，提供了电气绝缘，保护了传感器和周围的电子元件，传感器的“置位”和“ 复位”电路，提供了超低的偏差和超低的漂移，其测量的电流带宽可以从直流到2～5MHZ，可适用于大量程电流测量，且动态范围可超过100dB。
大多数情况下，磁场可由安培定律得出：磁场强度沿着电流流过的路径的积分，就等于电流，即 ∮H ?dL = I  (1) ，其中，H 为磁场强度，I 为电流，DL 为电流流经的路线的微分。
对于一个圆形导体，选定固定距离r,则H和dL 始终指向同一方向，对于同一个圆，H 值大小一致，既然dL=rdθ,则∫ H∑ dL = H∫rdθ(θ=0~2∏ )磁通量B=uH（u 为常量），我们可得到B=(2*10-7I)at/r （3）
例如：l=1amp,r=1cm,则B=20μT 或0.2G。
在一个无限长的导线内，通过不同大小电流，产生的磁场情况符合规律，如1 安培时，在离导线中心2cm 时产生的磁场为0.1 高斯。
以上讨论的是一根无限细的导线，如果使用的是一根一定长度的导线，且无圆形截面，或较长的导线，便很难预测固定的磁力线分布。
另外一个无限长的，非圆形截面的导线的磁场分布的计算类似于一个宽的导体，如导体由５根无限小的导线组成，每两根相邻导线间距1.0mm，每根导线上带有总电流1/5的电流，此导体的磁场分布由这5个导线各自产生的磁场叠加起
来。安培法则的前提是一个无限小的导线，适用于远距离磁场计算，因此，以上的类似不很精确，因为磁场太接近于导体。请注意：测量磁场与导体越远，磁
场分配越成圆形，且越易预测， 因而，电流可以看作是无限小的一个点。如果要对有限尺寸（或不规则尺寸）的导体、近距离的磁场计算非常精确，最好是用萨瓦特法则：
H =∮（IdLxar/4 πR 2 ）=∫s（KxardS/4 πR 2  ）=∫vol（Jxardv/4 πR 2 ）
其中，dL 是一段无限小的导线带的电流，K 是表面电流密度（A/m），J 是电流密度（A/m2）.
以下将介绍包含了一些简单的用Honeywell的磁阻传感器测电流的方法，所有磁场的数据都是以一根导线产生的磁场为出发点来近似计算的，所以，首先是根据经验或更先进的磁场分析方法，对这种近似来校正。
传感器的旋转调节
对于大电流，传感器要求离导线远些，才可以测量导线产生的全部磁场。这里描述的方法是在磁场内旋转传感器。但是，磁场是一个矢量，磁传感器测量的是沿敏感轴的磁场分量。因此，在测量大电流时，传感器通过旋转、调节敏感面的位置，来测量整个磁场的一个分量，这样，传感器可以与导线近一些。用此方法测量的一个磁传感器，测量结果（Bm）如下：
假设传感器附近的磁场分布大致均匀，则θ角越接近90℃，传感器对于角度的误差越敏感。例如：传感器安装在10℃倾斜角度时，输出为满输出的98.4%，若安装角度误差±0.5℃，导致输出变化幅度为0.3%，安装的倾斜角为80℃。传感器的输出为满输出的17%，误差达10%。这种方法可以测量大电流导线近处，但误差较大。
导线位置调整，另一个类似的方法是移动导体。当传感器位于坐标（0，0），导线位于（X1，Y1），由于传感器只测量Y 轴分量，公式（3）可以分解为：
By =2*10-3*sin(θ-90)/R =-2 * 10-3Ix1/x12 + y12
该公式说明，导线沿X 轴靠近，By 会升高。而沿Y 轴靠近，By 也会升高，但变化量相对大得多，近似于平方变化。Y轴向对位置更敏感，因为By与y近似反比。
类似的方法，如：使用PCB板，电流流过PCB板一侧，磁传感器放在另一侧，由于导线与传感器都不能只作为一个点考虑，这种方法的可行性需要认证。
匝片和铁芯的使用
电流检测，可以用匝片或铁芯来聚磁场。下面提及一些聚磁的典型方法，如上面是一个固态铁芯，下面是一捆匝片。由于薄的材料允许通过高频磁场，匝片可以被使用，匝片和铁芯都是由强导磁材料组成。铁的导磁能力是空气的2000 倍，通过铁物质，磁场易集中起来。典型的铁芯材料的导磁系数是2000 到100000。磁传感器位于铁芯或匝片的空隙中，导线通过铁芯或匝片的穿孔中，电流产生的磁场聚集在铁芯中，并通过空隙内的传感器。
铁芯对于外界磁场干扰的屏蔽功能也很好（如：地球磁场或其它电流产生的杂散磁场），因为，杂散磁场主要集中在作用到匝片或铁芯中，而不是传感器所在的空隙中，空隙有很强的阻磁功能。
匝片可以看作是有一条空隙的矩形圈，空隙中放着传感器，杂散磁场集中在匝片上，空隙越大，空隙上的杂散磁场越小。使用铁芯也是很好的，但尺寸大，且生产复杂。使用铁芯或匝片，对导线位置要求不高，导线直径也没有影响，因为铁芯的导磁性很好。导线也可以绕几匝，以增大磁通，例如：10A 的导线绕5 匝，可以驱动50A 传感器。它们也可以测两根导线电流之间的差值，因为每根导线的磁通会被高导磁物质完全传导。这种方法，很适合于测量两个大电流导线的电流差值和导线位置误差大的情况。但是，铁芯或是匝片易产生磁滞，带来了零电流的输出偏置和产品易受热的问题，且磁通过大时易饱和，饱和时导磁性能会急骤下降。
闭环电流检测
磁传感器也可以工作在闭环系统中，测量范围可进一步扩大，闭环系统中，传感器控制补偿磁场大小，使传感器所在位置的磁场为0。补偿磁场由一设定匝数的线圈产生，因此，此线圈的电流与一次电流产生的磁场成正比，典型情况下，会有一个负载电阻，与线圈串联，产生输出电压。
闭环电流检测有一些优点：
• 允许大的一次电流，但不会使传感器饱和
• 输出线性度高，且精度高，带宽高
• 高回路增益，使得器件误差对产品性能影响小
• 动态范围大
总之，闭环电流传感是一种精确且有效的测量电流的方法
电流测量的缺点的解决方案
电流测量也有一些问题，包括杂散磁场的处理，减小偏移量和温飘。
杂散磁场的处理
不可控的杂散磁场会严重影响电流传感器的性能，例如：地球磁场有大约1/2G，占HMC1021的满量程的4%，占HMC1001的满量程的线性段的12.5%。因此，设计传感器时，杂散磁场的作用一定要考虑进去。
一个最简单的去除杂散磁场影响的方法，是使用滤波器，交流耦合可以消除直流影响，地球磁场或附近的直流电，低通滤波可以消除高频部分。杂散磁场的大小千万不能导致磁传感器工作在非线性段，否则会降低电流传感器的性能。如果大的杂散磁场饱和了磁传感器，或杂散磁场的频率和被测的一次电流频率一致时，滤波方法就无效了。高频杂散磁场，可以被抗流器或电感环消除，因为高频会产生抵消磁场变化量的感应电流，这就是磁场的低通滤波器。
另一个方法，是将电流传感器屏蔽于杂散磁场之外，即外加一个高导磁材料做的盒子，且此材料要足够厚，不会被杂散磁场饱和，要特别注意的是：从一次电流产生的磁力线，要在屏蔽材料中，而不是磁传感器附近，这样，传感器要在所有的面都屏蔽，包括被测量的那一面，若设计不当，想要磁场屏蔽的地方，可能会出现磁通聚集的情况。
一个好的方法是利用匝片或铁芯；一来屏蔽杂散磁场，二来电流感应的磁通的集中，有利于位置误差，此方法很有效。但是，与杂散磁场的产生物相比较起来，此方法的耗材尺寸大且昂贵。
另一种方法，是用两个传感器，使杂散磁场成为共膜信号而被抵消，这种杂散磁场要求在两个传感器上产生相同的影响，且不能使它们工作在非线性区。这种方法非常依赖于杂散磁场的对称性和两个传感器的对称性。有时也可根据特殊应用，来采取特别方法来消除杂散磁场。例如：有些情况下，在起动阶段、休眠阶段、或周期发生时的杂散磁场的值是已知的，我们可以在这些时间采样，采样结果减掉已知的磁场值的影响。这种方法，比较适合消除直流磁场影响。
传感器偏差的处理
在电流传感中，传感器偏差和温飘是很重要的，磁传感器的结构是4个磁阻构成惠斯通桥，当每个桥路的阻值变化不同时，就会出现偏差，并导致零点有输出，温飘是由桥路中电阻值随温度的变化率不同所致，漂移对于电流传感器的输出影响很大，这里介绍一些解决的方法。
最有效的方法置位/ 复位*作，这是磁传感器的独特的优点。置位与复位，使传感器产生两个极性相反的输出，置位时，磁阻的磁物质都统一排列成置位状态，复位时，都统一排成相反方向。在一次置位/ 复位中，电阻的偏差是一样的，但输出信号极性正好相反，这两个偏差可以在计算中抵消。用置位/ 复位方法，HMC1001和HMC1021的温飘仅为±10ppm/℃，这个数据，远远优于其它竞争技术，其它的磁阻传感器需要外部线圈来执行位置/ 复位*作，但Honeywell 的传感器的晶片上有可直接*作的“带“（属Honeywell 专利）。
结论
有许多测电流的方法，但磁阻传感器有别具一格的优点，Honeywell在磁阻传感器方面有全球领先的优势：尺寸小 、低功耗、表面贴装、绝缘、非接触、超低偏差、高灵敏度、大动态反应，宽波长，测量电流，可从直流到５MHZ交流，这些优点，非常适合于所有电流传感器的设计。



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