用于直流大电流测量的矩形霍尔传感器阵列结构设计方法

摘要

本发明公开了一种用于直流大电流测量的矩形霍尔传感器阵列结构设计方法，摒弃圆形的阵列结构，使用矩形排列的霍尔传感器阵列；采用高阶的辛普森积分算法，在达到要求的测量准确度的同时，减少需要的霍尔芯片个数，降低传感器的制造成本。本发明方法在保持霍尔传感器结构简单，成本低廉等优点的同时，提高了其准确度和抗干扰能力。

说明书

技术领域

本发明涉及霍尔传感器阵列设计方法领域，具体是一种用于直流大电流测量的矩形霍尔传感器阵列结构设计方法。

背景技术

霍尔传感器阵列属于一种新型的开环非接触直测式线性电流传感器。其测量原理是利用安培环路定律，将霍尔芯片安置在环绕待测电流母排的闭合积分路径上，通过测量每个离散点上磁场沿积分曲线的切向分量，使用不同的算法得到电流产生的磁场沿积分曲线的积分值，从而得到待测电流值。

迄今为止，霍尔传感器阵列在测量直流大电流领域已经显示出其优越性。与传统的电流互感器相比，霍尔传感器阵列不需要使用聚磁铁芯，不仅避免了磁芯饱和的问题，提高了传感器响应速度，也降低了传感器的体积和重量；与罗科线圈相比，霍尔传感器阵列在对信号处理的过程中不需要经过积分环节，因此避免了因积分器电容泄露而造成的长时间测量过程中出现的基线漂移的问题；与造价昂贵的光纤传感器相比，霍尔传感器阵列造价低廉，属于低成本的电流传感器。

霍尔传感器阵列同时也存在着一些缺点。其通过离散点上的采样值来计算安培环路积分，属于数值积分的应用范围，得到的只能是闭环积分的近似值，必然会存在截断误差，所以待测磁场沿积分回路切线方向分量的梯度和周围的串扰场会影响霍尔传感器阵列的测量精度。最常用的信号处理方法是将阵列上的霍尔传感器输出信号累加求和之后求平均值，在数值积分算法上，属于梯形算法。这种算法适用于圆形霍尔传感器阵列，因为待测磁场沿圆形积分回路的切向分量是大致均匀的，所以使用梯形算法即可达到很高的计算精度，同时抵消串扰场的干扰。

但是当待测母排截面是大长宽比的矩形的时候，圆形排布的霍尔传感器阵列不再适合这种应用场合。首先，阵列半径必须大于矩形的对角线长度，支撑件所占用的空间，重量和造价不可接受；其次，处于远场的霍尔传感器明显对于外界串扰场更加敏感，削弱了霍尔传感器的抗干扰能力。

在核聚变的线圈电源系统中，稳态运行电流55KA，短时故障电流为400KA，因此设计使用了大量的矩形水冷铝母排进行电流传输，必须使用矩形排布的霍尔传感器阵列进行直流大电流的测量。而使用矩形排布面临的问题是，待测磁场沿闭合积分回路的四条边的切向分量变化较大，并且在矩形的四个拐角处，切向分量并不连续，如果继续采用对阵列上所有的霍尔传感器输出信号进行累加之后求和的算法，那么如果要达到要求的准确度等级，就必须增加霍尔传感器个数。因此，使用矩形排布的霍尔阵列传感器，必须对算法进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于直流大电流测量的矩形霍尔传感器阵列结构设计方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于直流大电流测量的矩形霍尔传感器阵列结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、根据待测母排的电压等级得到必须的绝缘间隔，参考结构骨架需要的安装空间，选取最小的初始矩形排布尺寸，并将多个霍尔传感器按初始矩形排布尺寸布置为矩形的积分回路，从而生成环绕待测母排的闭合的安培环路积分路径，因为矩形的尺寸越小，越能节约安装空间，增加霍尔传感器阵列对外来串扰场的抗干扰能力，所以需要按最小的初始矩形排布尺寸布置多个霍尔传感器；

(2)、因为在矩形环路的四个拐角，待测磁场沿积分环路切向方向的分量发生跳变，在数值积分理论中积分区间中含有不连续点会引入误差，所以对矩形积分回路的四条边上的霍尔传感器输出信号分别进行处理，得到待测磁场沿矩形回路四条边的积分值，最后进行累加得到待测磁场沿闭合积分回路的积分值，然后根据积分值确定矩形积分回路每边需要使用的霍尔传感器的个数，具体过程如下：

(2.1)、选择矩形积分回路的长边，确定其达到准确度要求所需要使用的霍尔传感器个数：

首先计算待测磁场沿矩形积分路径的长边切向分量的积分理论值，再将数值积分计算的结果与理论值进行对比；由于沿矩形积分环路每条边的切向方向，磁场变化梯度大，所以利用辛普森算法对霍尔传感器的信号进行处理；

假定长边被均匀划分为4个子区间，即2²个，在设计过程中如果数值积分的精度不能满足准确度的要求，则将子区间数目加倍，在先前所有子区间的中点再次增加霍尔传感器探测点，得到辛普森数值积分计算结果的序列，与理论值进行对比，直至满足准确度需求，确定达到所需计算精度需要的最小区间个数2^A，其中A为自然数，在矩形回路的长边，需要等间距放置的霍尔芯片个数为2^A+1个；

(2.2)、确定长边所划定的子区间个数后，再根据矩形尺寸的长宽比，确定宽边的所适宜划分的子区间个数2^B，其中B为自然数，在矩形回路的宽边，需要等间距放置的霍尔芯片个数为2^B+1个；

(3)、由于矩形积分回路的相邻两边的切向方向相互正交，且两边的端点在顶点处重合，因此在矩形积分回路端点处放置的两个霍尔传感器位置重合，法向向量相互正交；

(4)、根据步骤(2)、(3)确定矩形积分回路每条边所需霍尔传感器个数为2×[(2^A+1)+(2^B+1)]，然后生成矩形阵列不同尺寸的误差分布图，寻找计算误差最小的尺寸点，得到霍尔传感器阵列的最佳尺寸。

圆形霍尔传感器阵列使用的累加平均值算法其实质是数值积分中的梯形算法，其表达式为：

其中，Vn代表第n个霍尔传感器的输出电压；N代表霍尔传感器的个数；S代表对磁场的灵敏度系数，对于所有传感器来说，均应该相同；R代表圆形阵列的半径；μ₀为真空中的节点常数；K为与待测导体形状相关的比例系数，当R不断增大时，其值接近于1。

改进之后，适用于矩形霍尔阵列使用的辛普森数值积分算法，其表达式为：

其中，I代表流经待测母排的电流值；V_n代表阵列中第n个霍尔芯片的输出电压；L代表被积分路径的长度。

本发明的优点为：

采用了矩形排布的霍尔传感器阵列结构，使得霍尔传感器阵列的尺寸大为缩小，不仅降低了其制造成本，而且提高了其抗干扰能力；改进了霍尔传感器阵列的算法，使用高阶的辛普森数值积分算法，在使用相同数目霍尔传感器的前提下，提高了阵列的准确度等级。该发明使得霍尔传感器阵列更加适合直流大电流场合的应用。

附图说明

图1是本发明适用的测量实例中母排的尺寸示意图。

图2是本发明适用的测量实例中初始矩形积分回路示意图。

图3是本发明适用的测量实例中不同矩形积分回路尺寸的误差分布图。

图4是本发明适用的测量实例中最终的霍尔传感器阵列拓扑示意图。

图5是本发明设计流程示意图。

具体实施方式

如图5所示，用于直流大电流测量的矩形霍尔传感器阵列结构设计方法，包括以下步骤：

(1)、根据待测母排的电压等级得到必须的绝缘间隔，参考结构骨架需要的安装空间，选取最小的初始矩形排布尺寸，并将多个霍尔传感器按初始矩形排布尺寸布置为矩形的积分回路，从而生成环绕待测母排的闭合的安培环路积分路径；

(2)、对矩形积分回路的四条边上的霍尔传感器输出信号分别进行处理，得到待测磁场沿矩形回路四条边的积分值，最后进行累加得到待测磁场沿闭合积分回路的积分值，然后根据积分值确定矩形积分回路每边需要使用的霍尔传感器的个数，具体过程如下：

(2.1)、选择矩形积分回路的长边，确定其达到准确度要求所需要使用的霍尔传感器个数：

首先计算待测磁场沿矩形积分路径的长边切向分量的积分理论值，再将数值积分计算的结果与理论值进行对比；由于沿矩形积分环路每条边的切向方向，磁场变化梯度大，所以利用辛普森算法对霍尔传感器的信号进行处理；

假定长边被均匀划分为4个子区间，即2²个，在设计过程中如果数值积分的精度不能满足准确度的要求，则将子区间数目加倍，在先前所有子区间的中点再次增加霍尔传感器探测点，得到辛普森数值积分计算结果的序列，与理论值进行对比，直至满足准确度需求，确定达到所需计算精度需要的最小区间个数2^A，其中A为自然数，在矩形回路的长边，需要等间距放置的霍尔芯片个数为2^A+1个；

(2.2)、确定长边所划定的子区间个数后，再根据矩形尺寸的长宽比，确定宽边的所适宜划分的子区间个数2^B，其中B为自然数，在矩形回路的宽边，需要等间距放置的霍尔芯片个数为2^B+1个；

(3)、由于矩形积分回路的相邻两边的切向方向相互正交，且两边的端点在顶点处重合，因此在矩形积分回路端点处放置的两个霍尔传感器位置重合，法向向量相互正交；

(4)、根据步骤(2)、(3)确定矩形积分回路每条边所需霍尔传感器个数为2×[(2^A+1)+(2^B+1)]，然后生成矩形阵列不同尺寸的误差分布图，寻找计算误差最小的尺寸点，得到霍尔传感器阵列的最佳尺寸。

适用于矩形霍尔阵列使用的辛普森数值积分算法，其表达式为：

其中：N代表霍尔传感器的个数；S代表对磁场的灵敏度系数，对于所有传感器来说，均应该相同；μ₀为真空中的节点常数；K为与待测导体形状相关的比例系数，当R不断增大时，其值接近于1，L代表被积分路径的长度；I代表流经待测母排的电流值；V_n代表阵列中第n个霍尔芯片的输出电压。

下面以图示1中的额定电流400kA，对地电压1.05kV直流分裂母排的电流测量为例，要求传感器的准确度等级达到0.1级，对本发明的设计步骤作进一步地的详细说明，但其他尺寸的矩形截面母排均适用于此种设计方法。

参考“GBT 16935.1-2008低压系统内设备的绝缘配合”，霍尔传感器阵列和直流母排之间应留有绝缘间隙，同时考虑到预留的安装骨架，初始的矩形闭合积分路径尺寸选择为3200mm×1000mm，并且和母排同心。积分路径的环绕方向取逆时针方向，以A点为起始点，环绕母排形成闭合曲线，如图示2。

优选的，选择矩形回路的长边AB，首先将其均匀划分为4个子区间，总共等间距放置5个节点，计算待测磁场在5个节点的沿积分路径切向方向的分量，分别利用梯形算法，辛普森算法处理得到的数据，与真实值相比较。然后将子区间数目加倍，在先前所有子区间的中点再次增加霍尔传感器探测点，得到梯形算法和辛普森数值积分计算结果的序列。

得到如下的表格：

表1计算结果序列表

从计算结果来看，如若使计算结果的准确度等级高于0.1级，使用梯形算法必须将线段AB分为32个子区间，使用33个霍尔传感器；而使用辛普森算法只需要16个子区间，使用17个霍尔传感器。使用霍尔传感器的个数减少了一半。同时，由于矩形回路的长宽比为3.4，处于区间2与4之间，所以BC的子区间数目取为AB的1/2，划分为8个区间，布置9个节点。

如图3所示，在(3000-4000)mm×(700-2000)mm的范围内取矩形环路的尺寸，得到误差分布的云图，得到最佳的尺寸为3200mm×1200mm。最终霍尔传感器阵列的拓扑如图4所示，图中箭头方向为该点霍尔传感器的磁场测量方向。