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(tǒng)中，直流測速發(fā)電機的輸出直流電壓與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速;在許多自動控制系統(tǒng)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(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生的。在達到穩(wěn)態(tài)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(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)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(shù)減少，從而使電阻增加。磁阻效應傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應制成的，在傳感器線性范圍內(nèi)，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(jù)奧斯特實驗，電流可以產(chǎn)生磁場，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，一個無限長直導線在通以電流I時會產(chǎn)生環(huán)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(zhì)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(zhì)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(jù)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(chǎn)生的磁場可以等效成由圓柱中心處的一個線電流I所產(chǎn)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(jié)能減排是社會發(fā)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(tǒng)注入諧波,當諧波超過一定范圍,將會給電網(wǎng)帶來諧波污染,從而對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)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(tǒng)工作狀態(tài)、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(xiàn)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(jù)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?；裟犴f爾傳感器將測量點的磁感應強度的大小轉(zhuǎn)化成相應大小的電壓值，然后信號再經(jīng)過信號放大器，A/D轉(zhuǎn)換送到單片機AT89C51中，最后經(jīng)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(xiàn)電流強度實時測量，并用protues+Keil仿真調(diào)試。

任務分為:傳感器模塊，鍵盤模塊，單片機對數(shù)據(jù)處理和對系統(tǒng)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(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過二級放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D轉(zhuǎn)換器將電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)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(zhuǎn)換器和鍵盤送來的值進行處理，然后經(jīng)過相應的算法轉(zhuǎn)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(jù)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?；裟犴f爾傳感器將測量點的磁感應強度的大小轉(zhuǎn)化成相應大小的電壓值，然后信號再經(jīng)過信號放大器，A/D轉(zhuǎn)換送到單片機中，最后經(jīng)過LCD顯示出被測電流。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(zhuǎn)換器ADC0809，液晶顯示器LCD1602。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編程，采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)進行處理，并將數(shù)據(jù)送到LCD1602限時。ADC0809與單片機系統(tǒng)AT89C51的連接采用循環(huán)掃描的方式。當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809向CPU發(fā)出一個信號，CPU對轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(jīng)過放大器放大后，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送到單片機中，單片機經(jīng)過相應的算法將磁場強度值轉(zhuǎn)換為被測導線的電流值。單片機執(zhí)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(fā)電。采用OP07作為放大器，放大倍數(shù)為5倍。

3)AD轉(zhuǎn)換模塊。AD轉(zhuǎn)換模塊，將放大后的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)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(shù)字量，經(jīng)過相應的算法轉(zhuǎn)換為被測導線兩端的電壓，并將電壓值送到數(shù)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(chǎn)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(jié)果相符。

6 結(jié)語

簡述了直流大電流測量的背景、意義和發(fā)展現(xiàn)狀，對各種主要原理進行研究，為電流傳感器的開發(fā)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.