一種應用于復雜環境的霍爾電流傳感器設計

趙振起 遲 超 董新平 王 輝

（中國電子科技集團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用于航空、航天、火車、船舶等領域，用于電機伺服器對電流進行準確檢測，其優點為非接觸式、靈敏度高、精度高，但隨著使用環境越來越嚴苛復雜，在面對高低溫、高濕、低氣壓、振動、沖擊等應用環境時，電流傳感器會出現性能降低、失效等問題。因此設計了一種高環境適應性的雙路閉環霍爾電流傳感器，以滿足嚴苛復雜使用環境的需要。

1 工作原理

傳感器工作原理是應用霍爾磁平衡式測量原理，如圖1 所示[2]。待測導線中的原邊電流I1在聚磁環中產生了初級磁場B1，作用于霍爾元件，使其有電壓信號輸出，該電壓信號經放大輸入到功率放大器，通過功率放大器輸出次級電流I2，I2流經纏繞在聚磁環上，匝數為N2的次級補償線圈。次級線圈產生的磁場B2與原邊電流I1產生的初級磁場B1相反，因而補償了初級磁場，使霍爾輸出逐漸減小，當初次級磁場相等時，補償電流不再增大，從而達到磁平衡式狀態。它采用磁補償,保證霍爾器件工作在零磁場狀態, 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,能夠提高測量儀的精度和線性度，以及溫度穩定性。

圖1 電流傳感器原理圖

當霍爾元件達到磁平衡式狀態時，則有I1N1=I2N2。因此可以通過次級電流，以及待測導線與次級線圈匝數比，得到計算的原邊電流的公式。

式中：

I1-初級線圈電流，A；

N1-初級線圈匝數；

I2-次級線圈電流，A；

N2-次級線圈匝數。

可算出待測導線流經電流。

2 結構及環境防護設計

影響產品性能穩定的因素主要為霍爾元件與聚磁環的相對位置，電子元器件及原材料的工作溫度及潮濕環境下的電子元器件穩定工作，因此為保證產品有良好的環境適應性，環境防護設計目前主要從以下幾方面進行：

（1）力學設計（振動、沖擊）；

（2）熱設計（高溫、低溫）；

（3）三防設計（防潮濕、防霉菌、防鹽霧）。

2.1 力學環境防護設計

傳感器整體采用灌封一體化結構設計，由外殼、霍爾元件及聚磁環組件、電路組件、電氣連接部分等構成，外殼材料采用鋁合金（2A12T4），機械加工成型后，表面黑色陽極化處理。內部使用南大704 冷硫化膠實現灌封固定，全密封一體化結構設計，霍爾元件置于聚磁環氣隙處，能最大程度地感應垂直穿過霍爾元件的磁場[3]，保證霍爾元件及聚磁環相對位置穩定,如圖2 所示。

圖2 傳感器結構分解示意圖

2.2 熱學環境防護設計

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，固化后的膠體隨溫度變化極小，不會對傳感器性能有影響。所用電子元器件的工作溫度范圍均為（-55～125）℃，遠寬于常規傳感器的使用環境溫度范圍，使傳感器工作溫度達到（-50～125）℃。

2.3 三防設計

整個電路組件噴涂三防漆（TS01-3），起到三防保護作用，該材料用于保護電路板免受外界環境的侵蝕。具有良好的耐高低溫性能；其固化后形成一層保護膜，具有優越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防老化等性能；其內部各種性質穩定，在長期存放條件下材料內部性質不發生變化[4]。

3 電路設計

霍爾電流傳感器的電路原理如圖3 所示[5]。

主要有電磁轉換、磁電轉換、信號放大、功率放大和取樣輸出五部分組成，完成對電機電流的采樣、信號轉換調理、信號輸出的功能。

圖3 傳感器電路原理圖

在額定工況時，電流主要由R1 支路、運算放大器、功放電路構成，功放電路電流大小為40mA,因此合計電流約61.4mA。傳感器靜態工作時，可通過調試電阻R7 實現功放電路控制，并調整功放電路靜態電流為0mA 左右。傳感器在額定120A 條件下工作時，根據磁平衡原理可實現功放電路輸出電流40mA，通過聚磁環3000 圈的加工精度，從而控制額定輸出的誤差。通過對元器件進行降額設計，及溫度參數選擇，可實現在電路控制中，對熱零點漂移進行控制。

在傳感器設計中，采用高精度的繞線控制技術，從而可控制電流繞線誤差在±0.2%FS。而磁平衡時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 均由二個電容串聯組成，即使有一個電容“短路”，也不會使電路失效和影響外電源工作。

4 試驗結果

產品制作完成后，使用高精度大電流發生器對電流傳感器進行電性能測試；使用高低溫試驗箱，溫濕度試驗箱，真空試驗箱，振動臺，沖擊臺對電流傳感器進行環境適應性試驗。在環境試驗前后對傳感器進行性能檢測并對比結果。

表1 環境試驗前后性能檢驗

表2 環境試驗項目

由試驗結果可以看出，環境試驗前后，產品性能保持穩定，線性度、測量精度、熱零點漂移等參數僅有微小變化。

5 結論

本文設計了一種可以適應復雜使用環境的雙路閉環霍爾電流傳感器，具有體積小，測量范圍寬，高精度、高可靠性的特點。經過測試，此電傳感器測量精度可達0.18%FS，響應時間可達4.3μs，且工作溫度可達（-50～125）℃，且最大溫漂不超過0.064mA/℃。在高低溫、高濕、低氣壓、振動、沖擊等復雜使用環境下仍保持結構穩定功能完善，可廣泛應用于航空、航天、船舶、火車、汽車等對環境適應性有高要求的領域。