王玲

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　陜西　西安　710014）

基于霍爾效應(yīng)電流傳感器的離子電流測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王玲

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)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(tǒng)來提高整個(gè)系統(tǒng)性能?；魻栃?yīng)電流傳感器就是一種比較好的電流系統(tǒng)研究系統(tǒng)方式，它利用霍爾效應(yīng)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(dòng)態(tài)性能好的電流而被人們廣泛應(yīng)用。本文主要通過分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)及傳感器技術(shù)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(shù)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明霍爾效應(yīng)電流傳感器靈敏度提高36.35％。

霍爾效應(yīng)；電流傳感器；離子電流測試系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

霍爾電流傳感器主要是利用霍爾效應(yīng)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(dòng)態(tài)性較好，而且這種傳感器過載能力比較強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工作中。近幾年，隨著生產(chǎn)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(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣咂錅y量精度。

1　霍爾電流傳感器構(gòu)成與原理

霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)主要有電流磁場轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動(dòng)電源、信號處理電路以及霍爾器件等部分組成，對于閉環(huán)的磁平衡式還半酣輔助電流以及各個(gè)環(huán)節(jié)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(gè)部分組成的，一個(gè)是由電流磁場轉(zhuǎn)換裝置組成，一個(gè)是由驅(qū)動(dòng)電源和信號處理組成的輔助電路?；魻栯娏鱾鞲衅鳂?gòu)成見圖1。

圖1　霍爾電流傳感器構(gòu)成與原理

霍爾電流傳感器工作原理：在矩形半導(dǎo)體單晶薄片的一個(gè)方向上通電流I，在元件平面的垂直方向施加相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，在這個(gè)過程中半導(dǎo)體內(nèi)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(gè)電場就是霍爾電場，該電場的強(qiáng)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(xiàn)使隨后的電子運(yùn)動(dòng)在磁力作用的同時(shí)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(gè)力相等時(shí)電子的積累可以達(dá)到平衡，這時(shí)運(yùn)動(dòng)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(yīng)就是半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)的原理用公式表達(dá)為：

公式（3）中RH代表的是霍爾常數(shù)，RH的大小反應(yīng)了霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，所有霍爾電壓的大小與I、B之間的關(guān)系為正相關(guān)，和d之間的關(guān)系呈反相關(guān)。同時(shí)為了提高系統(tǒng)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(yīng)比較高就需要較大額霍爾常數(shù)值。

2　離子電流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

霍爾效應(yīng)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(jìn)行收集，在這種情況下利用霍爾效應(yīng)電流傳感器記實(shí)施測量，收集器由一塊導(dǎo)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(dǎo)線從霍爾電流傳感器的感應(yīng)線圈中穿過，這種情況下形成一個(gè)閉合回路，利用霍爾傳感器原理測定導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)線的半徑進(jìn)行分析，在這種情況下電流通過磁芯中心時(shí)的測量結(jié)果更加準(zhǔn)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(dǎo)線電流，導(dǎo)線粗細(xì)與磁芯線圈的濃度有較大的關(guān)系，一般情況下對于恒定電流I來說，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場強(qiáng)度H，只與I及磁芯半徑R有一定的關(guān)系，這種情況下可以得到如下公式：

這個(gè)公式與導(dǎo)線半徑?jīng)]有太大的關(guān)系，從原理方面來說，霍爾效應(yīng)電流傳感器在測試導(dǎo)線電流和離子束電流的過程中沒有太大的區(qū)別，但是在實(shí)際測量過程中，利用不同半徑導(dǎo)線進(jìn)行測試，能夠確定導(dǎo)線半徑、位置以及測試結(jié)果之間的關(guān)系。計(jì)算出離子電流以后，如果霍爾效應(yīng)的電流傳感器為平面二維機(jī)構(gòu)，那么通過離子電流和測試面積之間的關(guān)系能夠得到例子電流空間分布特點(diǎn)，同時(shí)霍爾效應(yīng)電流光感器一般為立體三維圓柱結(jié)構(gòu)形式，通過這種方法的計(jì)算能夠估算出離子束中的粒子密度。

3　等離子體性質(zhì)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(xiàn)象實(shí)時(shí)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(jù)這個(gè)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(gè)金屬絲就可以實(shí)時(shí)診斷，由于它構(gòu)造簡單、測定范圍廣，所以已經(jīng)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(yùn)動(dòng)的情況下形成粒子流，而離子流熱運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子熱運(yùn)動(dòng)的速度，所以探針表面會隨著積累負(fù)電荷的使之空間不斷擴(kuò)大，進(jìn)而吸引力子。隨著負(fù)電荷的增大，從離子等空間達(dá)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(dá)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(xué)分析方法，這種診斷方法能夠依據(jù)診斷包括等離子體離子動(dòng)力學(xué)、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(xué)性質(zhì)反應(yīng)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(yīng)出等離子體內(nèi)部發(fā)生的過程，對等離子體本身并不會產(chǎn)生較大的干擾性，而且這種方法能夠比較直觀的反應(yīng)出等離子體內(nèi)部發(fā)生的過程，對等離子體不會產(chǎn)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(jié)果的精確度也比較高。

4　霍爾效應(yīng)電流傳感器離子電流實(shí)現(xiàn)方案

4.1方案實(shí)現(xiàn)條件分析

此次我們分析的離子電流實(shí)現(xiàn)方案中，利用發(fā)射光譜和霍爾效應(yīng)電流檢測系統(tǒng)檢測N2、O2、兩種氣體在不同氣壓、流量和功率下的放電狀態(tài)和離子束電流，實(shí)現(xiàn)條件見表1。在這種條件下將其中一個(gè)參量作為變量進(jìn)行離子電流測試，并對相應(yīng)的離子源系統(tǒng)電壓、電流的實(shí)例數(shù)進(jìn)行分析，每種氣體離子源均作為其相對準(zhǔn)確性進(jìn)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(shù)

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(fā)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(tài)包含O原子、O離子。電流為20 sccm、壓強(qiáng)為0.1 pa時(shí)，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(nèi)向真空定向擴(kuò)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(tǒng)在離子源工作功率為10～400 W區(qū)間，能夠獲得數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)生放電的N原子，在470.9 nm、567.8 nm處發(fā)生放電的是N離子，所以可以說N2離子源放電主要以激發(fā)態(tài)N原子和N離子為主。當(dāng)流量為20 sccm、壓強(qiáng)為0.1 Pa時(shí)，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(dǎo)致更多的激發(fā)態(tài)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(nèi)向真空中擴(kuò)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(tǒng)在離子源工作功率為10～400 W區(qū)間可以獲得比較可靠的電流數(shù)據(jù)。

5　結(jié)束語

工業(yè)革命以來，隨著精密器件的生產(chǎn)和科技的進(jìn)步，人們對高效、便捷的設(shè)備需求越來越大，僅僅考慮宏觀的物質(zhì)變化已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需求，必須對物質(zhì)內(nèi)部離子間影響機(jī)制的研究進(jìn)行深入的分析。這種情況下人們利用霍爾效應(yīng)電流傳感器的離子電流檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析，并將這種技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，取得較好的效果。通過實(shí)現(xiàn)方案的見證發(fā)生霍爾電流傳感器的離子電流檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測結(jié)構(gòu)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。

［1］鄒林.基于霍爾效應(yīng)電流傳感器的離子電流測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)［D］.大連:大連交通大學(xué)，2014.

［2］張郁.一種基于低頻補(bǔ)償?shù)拿}沖大電流測試方法研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2014.

［3］王祥.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高霍爾電流傳感器測量精度的研究［D］.上海:東華大學(xué)，2014.

［4］齊冬梅.霍爾電流傳感器及其自動(dòng)調(diào)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009.

［5］黃茂楊.柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)［D］.南京:東南大學(xué)，2005.

［6］陳慶.基于霍爾效應(yīng)和空芯線圈的電流檢測新技術(shù)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2008.

［7］張茹.基于磁彈效應(yīng)和磁電層合材料的在役鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測研究［D］.浙江:浙江大學(xué)，2014.

［8］湯振鶴.基于霍爾原理的特種電源用電流檢測組件的設(shè)計(jì)［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2015.

［9］羅紅平.納秒脈寬脈沖電化學(xué)微加工機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2009.

［10］徐攀.基于逆變電源的硬磁材料充退磁裝置研究 ［D］.北京:中國計(jì)量學(xué)院，2013.

［11］王善祥，何金良.嵇士杰.基于巨磁電阻效應(yīng)的電流傳感器技術(shù)及在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，23 （5）:8-14.

［12］曹平軍，呂冰.陳正想.基于磁通門原理的高精度電流傳感器的研制［J］.電子世界，2013（13）:60-61.

［13］黃大華，成小玲.LEM公司磁平衡式霍爾檢零電流傳感器的工作原理和應(yīng)用［J］.電子元器件應(yīng)用，2006（10）:58-60.

［14］Iwabuchi T，Ito T，Yamamoto M，et al.High sensitivity Hall elements made from Si-doped InAs on GaAs substrates by molecular beam epitaxy［J］.Journal of Crystal Growth. 1995，150，Part 2（0）:1302-1306.

［15］Kyburz R，Schmid J，Popovic R S，et al.Highly sensitive In0.53Ga0.47As/InPHallsensorsgrownbyMOVPE［J］. Electron Devices，IEEE Transactions on.1994，41（3）:315-320.

【相關(guān)參考文獻(xiàn)鏈接】

［1］蘇贇臻.基于數(shù)字算法的電流檢測溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)［J］. 2014，22（9）:113-116.

［2］肜瑤.一種等離子體焚燒垃圾設(shè)備的研究［J］.2015，23（17）: 151-153.

［3］竇琴，葛俊佐，祝本明.基于霍爾傳感器的面線張力檢測控制方法［J］.2016，24（1）:106-108.

［4］王鋒，劉美全，范江瑋.提高霍爾傳感器測量精度的方法研究［J］.2015，23（2）:60-62.

［5］王鋒，劉美全，范江瑋.霍爾傳感器零位特性及補(bǔ)償方法研究［J］.2015，23（3）:107-109.

［6］辛?xí)詫?，李?基于電流合成的現(xiàn)場總線發(fā)送電路設(shè)計(jì)［J］. 2015，23（18）:153-156.

［7］黃偉，莊志紅.一種基于頻率/電流轉(zhuǎn)換的4～20 mA電路設(shè)計(jì)［J］.2015，23（22）:86-88.

［8］賀君鵬.基于AT89C52的毫安級數(shù)字式電流測量儀的設(shè)計(jì)［J］. 2015，23（22）:184-186.

［9］譚婕娟.CMOS集成電路電流參數(shù)測試分析［J］.2016，24（4）: 64-66.

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(yè)技術(shù)學(xué)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。