基于霍爾效應電流傳感器的離子電流測試系統設計與研究

王玲

（西安鐵路職業技術學院　陜西　西安　710014）

基于霍爾效應電流傳感器的離子電流測試系統設計與研究

王玲

（西安鐵路職業技術學院陜西西安710014）

在科學技術的推動下，人們對電流的研究越來越多，一期通過研究電流傳感器系統來提高整個系統性能。霍爾效應電流傳感器就是一種比較好的電流系統研究系統方式，它利用霍爾效應制作出一種電流檢測器件，能夠較好的測量出精度高、范圍大、動態性能好的電流而被人們廣泛應用。本文主要通過分析人工神經網絡、數據融合技術及傳感器技術提出霍爾電流傳感器，分析霍爾電流測量誤差，針對其影響因素采用多傳感器技術對整個系統進行分析，結果表明霍爾效應電流傳感器靈敏度提高36.35％。

霍爾效應；電流傳感器；離子電流測試系統；設計

霍爾電流傳感器主要是利用霍爾效應制作出來的已匯總電流檢測器件，與其他傳感器相比具有很多的有事，比如它測量范圍比較大、測量精度高、動態性較好，而且這種傳感器過載能力比較強，被廣泛應用于實際工作中。近幾年，隨著生產要求的提高，對電流傳感器的例子精度提出更高的要求，為了提高霍爾電流傳感器的測量精度，一般采用硬件補償的方法提高其測量精度。

1　霍爾電流傳感器構成與原理

霍爾電流傳感器的結構主要有電流磁場轉換裝置、驅動電源、信號處理電路以及霍爾器件等部分組成，對于閉環的磁平衡式還半酣輔助電流以及各個環節對最終電流傳感器性能和精度的影響。我們在分析的過程中可以將傳感器看做是由兩個部分組成的，一個是由電流磁場轉換裝置組成，一個是由驅動電源和信號處理組成的輔助電路。霍爾電流傳感器構成見圖1。

圖1　霍爾電流傳感器構成與原理

霍爾電流傳感器工作原理：在矩形半導體單晶薄片的一個方向上通電流I，在元件平面的垂直方向施加相應的磁感應強度為B的磁場，在這個過程中半導體內的載流子在洛倫茲力的作用下，向霍爾元件通以電流的平面的另一方向，在這種情況下形成電場，這個電場就是霍爾電場，該電場的強度為：

公式（1）中b為霍爾元件寬度，UH為電位差，霍爾電場的出現使隨后的電子運動在磁力作用的同時又受到霍爾電場力的作用，這樣我們就會得到如下公式：

公式（2）中eBv為洛倫茲力，如果公式中的兩個力相等時電子的積累可以達到平衡，這時運動是趨于平衡的，通過這種方式建立電勢便形成了霍爾電勢，這種效應就是半導體霍爾效應，霍爾效應的原理用公式表達為：

公式（3）中RH代表的是霍爾常數，RH的大小反應了霍爾效應的強弱，所有霍爾電壓的大小與I、B之間的關系為正相關，和d之間的關系呈反相關。同時為了提高系統的靈敏度，霍爾元件一般會被制作成薄片形式。在分析的過程中如果霍爾效應比較高就需要較大額霍爾常數值。

2　離子電流檢測系統設計分析

霍爾效應的離子電流檢測是不能直接檢測的，在檢測的過程中必須將離子電流通過收集器進行收集，在這種情況下利用霍爾效應電流傳感器記實施測量，收集器由一塊導電性能比較好的鐵板制作而成，而且對于一些絕緣情況來說，測量面積一般為（2.5×10）cm2的例子電流。在分析的過程中將收集到的例子電流導線從霍爾電流傳感器的感應線圈中穿過，這種情況下形成一個閉合回路，利用霍爾傳感器原理測定導線與中例子電流形成的對比比例電壓，使電壓表將該電壓較好的表示出來，通過換算可以形成待測電子電流。

利用霍爾效應電流傳感器測量直流電流的過程中需要考慮的電流必須通過為止和等效導線的半徑進行分析，在這種情況下電流通過磁芯中心時的測量結果更加準確。在分析過程中我們將電子束看做是電流表面密度均勻的粗導線電流，導線粗細與磁芯線圈的濃度有較大的關系，一般情況下對于恒定電流I來說，產生的感應磁場強度H，只與I及磁芯半徑R有一定的關系，這種情況下可以得到如下公式：

這個公式與導線半徑沒有太大的關系，從原理方面來說，霍爾效應電流傳感器在測試導線電流和離子束電流的過程中沒有太大的區別，但是在實際測量過程中，利用不同半徑導線進行測試，能夠確定導線半徑、位置以及測試結果之間的關系。計算出離子電流以后，如果霍爾效應的電流傳感器為平面二維機構，那么通過離子電流和測試面積之間的關系能夠得到例子電流空間分布特點，同時霍爾效應電流光感器一般為立體三維圓柱結構形式，通過這種方法的計算能夠估算出離子束中的粒子密度。

3　等離子體性質診斷方法

3.1靜電探針診斷法

這種診斷方法主要是利用等離子體中的靜電現象實時診斷的來得到，其中比較常見的是Langmuir探針。這種探針主要利用其附近的靜電場與等離子體相互作用而引起電荷重新分析，形成變化的探針電流，病根據這個過程診斷等離子體。這種診斷方法比較簡單，它僅僅通過一個金屬絲就可以實時診斷，由于它構造簡單、測定范圍廣，所以已經成為一種重要的等離子體測量方法。測量的過程中將探針放入空間等離子體中，等離子體電子和離子在熱運動的情況下形成粒子流，而離子流熱運動的速度遠遠大于離子熱運動的速度，所以探針表面會隨著積累負電荷的使之空間不斷擴大，進而吸引力子。隨著負電荷的增大，從離子等空間達到探針的電子電流逐漸變小，離子電流會越來越大，一直到達到平衡為止。

3.2光譜診斷法

等離子體光譜診斷方法是一種化學分析方法，這種診斷方法能夠依據診斷包括等離子體離子動力學、離子溫度以及電子密度等各種信息，將等離子體的物理化學性質反應在其原理過程中，使得到的信息更加豐富，其中光譜的變化能夠直接反應出等離子體內部發生的過程，對等離子體本身并不會產生較大的干擾性，而且這種方法能夠比較直觀的反應出等離子體內部發生的過程，對等離子體不會產生較大的干擾，這種診斷方法靈敏度比較高，而且操作方法比較簡單，測量結果的精確度也比較高。

4　霍爾效應電流傳感器離子電流實現方案

4.1方案實現條件分析

此次我們分析的離子電流實現方案中，利用發射光譜和霍爾效應電流檢測系統檢測N2、O2、兩種氣體在不同氣壓、流量和功率下的放電狀態和離子束電流，實現條件見表1。在這種條件下將其中一個參量作為變量進行離子電流測試，并對相應的離子源系統電壓、電流的實例數進行分析，每種氣體離子源均作為其相對準確性進行分析，并測試離子電流固定收集面積。

表1　離子源工作參數

4.2O2離子源放電診斷分析

O2離子源的診斷，分析其診斷流量為10 sccm，功率：300 W，其他條件為1 800BLZ、2584V下的O2離子源300～800 nm發射光譜曲線。在分析的過程中，這種離子源放電形式有兩種，一種是O原子放電，一種是O離子放電，所以我們可以確定為O2離子源的放電形態包含O原子、O離子。電流為20 sccm、壓強為0.1 pa時，不同功率的O2離子源陽性電流、陽極電壓以及傳感器會隨著離子源工作功率的增加，其陽性電流和測試電流會隨之增大。這種情況下首先隨著離子源工作功率的增加，陽極電壓不斷增加。陽極電壓的不斷增加，O離子與離子源內向真空定向擴散，形成離子束，所以離子束密度會隨著陽極電壓的增加而增加。綜合以上考慮分析，該電流傳感器測試系統在離子源工作功率為10～400 W區間，能夠獲得數據可靠的離子電流。

4.3N2離子源放電診斷

N2離子源診斷條件為:流量：10 sccm，功率：300 W，氣壓：0.1 pa，其他條件為：1 800BLZ、0.12A的N2離子源發射光譜曲線。這種放電診斷模式一般以波493.9 mm、648.3 nm出發生放電的N原子，在470.9 nm、567.8 nm處發生放電的是N離子，所以可以說N2離子源放電主要以激發態N原子和N離子為主。當流量為20 sccm、壓強為0.1 Pa時，不同功率情況下N2離子源陽極電流、陽性電壓均會有所增大。首先隨著離子源工作效率的增加，陽極電壓不斷增加，這種會導致更多的激發態N原子被電離成N離子，所以離子源陽極電流會不斷增加。這種情況下N離子不斷從離子源內向真空中擴散，形成離子束，所以離子束會隨著陽極電壓增加而增加。綜合以上因素可以知道電流傳感器測試系統在離子源工作功率為10～400 W區間可以獲得比較可靠的電流數據。

5　結束語

工業革命以來，隨著精密器件的生產和科技的進步，人們對高效、便捷的設備需求越來越大，僅僅考慮宏觀的物質變化已經不能滿足社會發展的需求，必須對物質內部離子間影響機制的研究進行深入的分析。這種情況下人們利用霍爾效應電流傳感器的離子電流檢測系統進行分析，并將這種技術應用于工業生產中，取得較好的效果。通過實現方案的見證發生霍爾電流傳感器的離子電流檢測系統能夠實現檢測結構與離子源陽極電流變化的同步，所以這種檢測方法是可行的。

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Design and research of Hall effect current sensors ion current measurement system

WANG Ling
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Driven by science and technology，research more and more people to the current，one to improve overall system performance by studying the current sensor systems.Hall effect current sensor system is a relatively good current research system mode，which uses the Hall effect to produce a current-sensing device，capable of better measurement of high precision，large-scale，dynamic performance is good current people widely used.In this paper，through the analysis of artificial neural networks，data fusion technology and sensor technology make the Hall current sensors，Hall current measurement error analysis，the use of factors for its multi-sensor technology on the entire system，the results show that the Hall-effect current sensor sensitivity increase 36.35％.

hall effect；current sensor；ionic current testing system；design

TN99

A

1674-6236（2016）16-0158-03

2016-02-29稿件編號：201602182

西安鐵路職業技術學院校級課題（XTZY15G06）

王 玲（1979—），女，陜西渭南人，講師。研究方向：電氣控制工程。