霍尔效应电流传感器的结构优化与应用基础研究

摘要

目前国际上主流的电流传感器技术由于在结构设计存在缺陷，从而导致许多不足，如精度不高、易受环境温度影响等；同时国内磁传感器技术落后于国外先进技术，不能满足国内市场对高性能磁传感器的迫切需求。基于以上背景，本文开展了电流磁传感器研究。论文对影响二类霍尔电流传感器（开环和闭环）性能指标相关因素进行了系统地理论分析和实验研究，并对这两类传感器的结构进行了优化设计。测试结果表明，优化后的霍尔电流传感器实现了良好的性能。主要内容如下：
　　(1)霍尔效应闭环电流传感器的结构优化设计。结构优化主要内容包括铁芯材料的选择、铁芯形状和尺寸的确定、铁芯中气隙的大小与位置的确定、PCB板上主要元器件的合理安装位置确定等。在初级线圈额定电流为50A、被测导体的截面8 mm×6 mm的应用条件下，得到的铁芯优化结构如下：用于安放霍尔元件的气隙的位置设定在铁芯的一条长边上，气隙的宽度为2 mm，铁芯的外形轮廓尺寸为32 mm×21 mm×2.1 mm，铁芯的横截面积为4mm×2.1 mm。坡莫合金被选为传感器铁芯的理想材料。与传统同类传感器相比，所设计的电流传感器有较好的性能：线性度不小于0.3％FS(Full Scale满量程)，精度要优于±0.5%FS，零点失调电流在±0.3 mA以内，偏置电流漂移介于－0.2mA至＋0.2 mA之间。
　　(2)为了消除闭环霍尔电流传感器频率特性中常常会出现的台阶现象，本文提出了一种新型的双铁芯结构传感器结构。借助于仿真工具ANSYS和实验方法确定双铁芯的结构及材料。根据仿真和计算结果获悉，当测试电流小于100A，交流铁芯的厚度约0.7mm(即单片磁芯薄片厚度为0.35mm需二片)。电流传感器双铁芯结构模式的性能显然要好于单铁芯结构模式。
　　(3)一种新颖的开环线性差分霍尔电流传感器解决方案被提出来，其输出特性和温度特性也被详细研究。借助于有限元仿真计算方法，探索了这种差分式模式的可行性。基于双霍尔理论，一个实用的开环电流传感器电路设计并制作出来。实验结果表明，这种模式可以大大减少静态输出电压，输出电压幅度值可提高到100%，灵敏度可达46 mV/A，线性度为0.99% FS，零点温漂为0.033 mV/℃。如果采用双霍尔双铁芯模式方案，传感器的线性度可达0.85%FS。
　　(4)针对传统霍尔电流传感器结构中由于带有铁芯、线圈及骨架，而导致的结构复杂、尺寸增大等问题，本文研究和分析了两种无芯霍尔效应电流传感器：四霍尔模式和八霍尔模式。并对影响这种无芯阵列式开环电流传感器测量误差的因子---载流导体形状和位置变化进行了详细地理论研究和分析。实验结果表明：八霍尔模式电流传感器性能指标要优于四霍尔模式，从工程应用实际出发，八霍尔阵列模式基本上满足中小电流测量的要求。

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1绪论

1.1引言

1.2霍尔效应电流传感器及其其它磁电流传感器

1.3本文研究内容

2单铁芯闭环霍尔电流传感器研究

2.1 基于霍尔效应的电流传感器研究的理论基础

2.2 单铁芯闭环电流传感器研究

2.3 本章小节

3双铁芯闭环霍尔电流传感器研究

3.1双铁芯传感器的结构设计

3.2仿真计算和实验

3.3 本章小节

4双霍尔差分开环电流传感器研究

4.1 双霍尔差分电流传感器研究现状

4.2 一种新的双霍尔差分模式

4.3实验研究

4.4 双霍尔双铁芯差分电流传感器

4.5 本章小结

5 八霍尔阵列电流传感器研究

5.1 结构及电路设计

5.2 误差来源分析

5.3 性能测试与分析

5.4 本章小节

6总结与展望

6.1 全文总结

6.2 今后的工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

攻读博士学位期间申请和授权专利