基于磁場檢測的非接觸電流測量儀研究

于曉娜

(太原明力達電力設計有限公司，山西 太原 030006)

1 研究意義

在自動控制系統中，直流測速發電機的輸出直流電壓與轉速呈線性關系，因此檢測它的輸出電壓就能間接地檢測電機的轉速;在許多自動控制系統中，一些控制信號也是直流信號，需要檢測，但直流檢測往往存在兩個最明顯的困難:1)直流測量儀表不便串入電路中;2)直流檢測電路與被測電路不能直接耦合，否則就會影響被測電路的直流工作點，即直流檢測的隔離成為問題。這使傳感器和周圍的電子電氣隔離和保護可以實現。對電氣設備的各種非接觸性測量中，基于磁場檢測的非接觸電流測量儀研究便成為現在研究的一個方面，如何更加快捷，安全，有效的通過對磁場的檢測而得出電流就顯得更加的重要。

磁阻效應(Magnetoresistance Effects)是指某金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。同霍爾效應一樣，磁阻效應也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。在達到穩態時，某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉。這種偏轉導致載流子的漂移路徑增加。或者說，沿外加電場方向運動的載流子數減少，從而使電阻增加。磁阻效應傳感器是根據磁性材料的磁阻效應制成的，在傳感器線性范圍內，其輸出電壓與被測磁場成正比，進而檢測出被測導線的電流值。

2 磁場測量的理論基礎

根據奧斯特實驗，電流可以產生磁場，根據畢奧薩伐爾定律，一個無限長直導線在通以電流I時會產生環形的感應磁場，在距該導線距離為R處，其磁感應強度B為:

其中，B為磁感應強度，T;μ為介質中的磁導率，H/m;I為導線中電流強度;π為圓周率;R為導線與傳感器之間的距離，m。

當導線非無限長時，此時磁感應強度B表達為:

其中，B為磁感應強度，T;μ為介質中的磁導率，H/m;I為導線中電流強度;π為圓周率;R為導線與傳感器之間的距離，m;α1，α2均為測量點與導線兩端所成的夾角，(°)。

根據電磁場理論，一個圓柱形的導體或者空心圓柱形的導體，在有電流I通過時其在導體外部產生的磁場可以等效成由圓柱中心處的一個線電流I所產生的磁場。

隨著全球能源的逐漸枯竭、大氣污染的不斷加劇以及氣溫上升帶來的危害加重,越來越多的人意識到節能減排是社會發展的方向。因此,電動汽車應運而生,并迅速得以廣泛應用[1]。電動汽車作為電力負荷,其充電行為具有間歇性和隨機性。在電動汽車充電過程中,由于充電器本身包含各種非線性特性的電力電子元件,會向電力系統注入諧波,當諧波超過一定范圍,將會給電網帶來諧波污染,從而對電網的穩定性產生影響,同時也將縮短電池的壽命,因此對電動汽車充電過程中的諧波進行分析和檢測具有重要意義[2-4]。

3 總體方案

電流檢測是檢查電力系統工作狀態、故障診斷的重要手段。由于通電導線周圍伴生相應的感應磁場，磁場大小與電流強度和距導線的距離有關。采用單軸磁傳感器測量通電導線周圍磁場的大小來實現非接觸式電流檢測。

主要任務:連接一個待測電流的實驗電路，根據霍尼韋爾傳感器的原理，霍尼韋爾傳感器檢測出電流引起的磁場的大小，檢測磁感應強度形成檢測輸入信號。霍尼韋爾傳感器將測量點的磁感應強度的大小轉化成相應大小的電壓值，然后信號再經過信號放大器，A/D轉換送到單片機AT89C51中，最后經過LCD顯示出被測電流。在掌握基于磁場檢測的非接觸電流測量儀的工作原理的基礎上，設計基于單軸磁傳感器的非接觸電流測量儀單片機電路設計，編寫單片機程序，實現電流強度實時測量，并用protues+Keil仿真調試。

任務分為:傳感器模塊，鍵盤模塊，單片機對數據處理和對系統的控制。

傳感器模塊采集被測導線周圍的磁信號，將磁信號轉換為電壓信號，經過二級放大器放大后送入A/D轉換器中，A/D轉換器將電壓的模擬量轉換為數字量送到單片機中。

鍵盤模塊給單片機送入傳感器與被測導線距離值。

單片機負責對A/D轉換器和鍵盤送來的值進行處理，然后經過相應的算法轉化為被測電流值，送到LCD顯示模塊進行顯示。

連接一個待測電流的實驗電路，根據霍尼韋爾傳感器的原理，霍尼韋爾傳感器檢測出電流引起的磁場的大小，檢測磁感應強度形成檢測輸入信號。霍尼韋爾傳感器將測量點的磁感應強度的大小轉化成相應大小的電壓值，然后信號再經過信號放大器，A/D轉換送到單片機中，最后經過LCD顯示出被測電流。系統流程圖如圖1所示。

圖1 系統流程圖

方案中用到的AT89C51單片機，霍尼韋爾傳感器HMC1021Z，OP07放大電路，A/D轉換器ADC0809，液晶顯示器LCD1602。

4 系統軟件設計

系統軟件采用C語言編程，采用模塊化結構，主要包括初始化模塊、A/D采樣處理模塊等部分，修改和維護十分方便。初始化模塊主要完成各個端口以及2個計時器的初始化，并定義使用的各個端口。A/D采樣處理模塊主要是對從ADC0809采集來的數據進行處理，并將數據送到LCD1602限時。ADC0809與單片機系統AT89C51的連接采用循環掃描的方式。當A/D轉換結束后，ADC0809向CPU發出一個信號，CPU對轉換后的數字量進行處理，使LCD顯示當前的電流值。

5 仿真實驗

采用protues進行仿真。由于protues中沒有磁阻傳感器，本仿真用測量滑動變阻器兩端的電壓代替磁阻傳感器的輸出電壓，電壓經過放大器放大后，送到模數轉換芯片ADC0809，將電壓模擬量轉換為數字量，送到單片機中，單片機經過相應的算法將磁場強度值轉換為被測導線的電流值。單片機執行的算法為:首先運用導線周圍磁場和導線電流的關系，得出導線周圍的磁場強度。導線周圍磁場和導線電流的關系為:

其中，μ0為真空磁導率，μ0=4π ×10－7V·s/(A·m);R 為導線與傳感器的距離;I為導線中的電流。

然后再運用傳感器檢測到磁場強度與輸出電壓的關系，計算出傳感器輸出的電壓。傳感器檢測到磁場強度與輸出電壓的關系為:

其中，16 mV/高斯為HMC1021的靈敏度。

最后計算出被測導線中的電流:

其中，I為被測導線的電流;U為傳感器的輸出電壓;R為導線與傳感器之間的距離，在這里我們默認R=1。

1)傳感器模塊。傳感器模塊，用滑動變阻器取代傳感器，滑動變阻器兩端的輸出電壓表示傳感器兩端的輸出電壓。

2)運算放大器模塊。運算放大器模塊，由于傳感器輸出電壓比較小，需要對輸出電壓進行發電。采用OP07作為放大器，放大倍數為5倍。

3)AD轉換模塊。AD轉換模塊，將放大后的模擬量轉化為數字，以便單片機能夠識別，本仿真采用 ADC0809，采樣頻率為12 MHz。選用通道1，將 ADDA，ADDB，ADDC 都置為 0。

4)單片機模塊。單片機模塊，將ADC0809送來的數字量，經過相應的算法轉換為被測導線兩端的電壓，并將電壓值送到數碼管顯示。

5)仿真舉例。當傳感器兩端輸出電壓U=10.06 mV時，代入公式可以得知導線產生的磁場:

當距離R=1 m時，將U=10.06代入公式即可算出導體中的電流I=10.06/32×102=31.562 5 A。由于精度有限，所以與顯示結果相符。

6 結語

簡述了直流大電流測量的背景、意義和發展現狀，對各種主要原理進行研究，為電流傳感器的開發建立良好的理論基礎。研究磁阻傳感器原理的基礎上，提出了基于霍爾韋尼傳感器檢測電流的方案，并用protues進行了仿真實驗，能實時的檢測電流值。

[1] 陳 慶.基于霍爾效應和空芯線圈的電流檢測新技術[D].武漢:華中科技大學博士學位論文，2008:118.

[2] 鄧重一.利用霍爾傳感器芯片設計直流電流檢測電路[J].傳感器技術，2003，22(6):50-52.

[3] 柳立平，劉 焱.特種電流傳感器[J].傳感器技術，2003，22(12):68-69.

[4] 王 鋒，米 東，徐章遂，等.基于霍爾傳感器磁場檢測方案[J].儀表技術，2007(8):43-47.