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无需补偿电路的霍尔传感器误差消除方法

发布时间:2017-06-07 责任编辑:susan

【导读】霍尔传感器以无触点,体积小,结构简单等优点,在电测、自动控制和计算装置等方面得到了广泛应用。由于霍尔传感器产生误差的原因多,目前虽然采取了各种补偿措施,但仅用一种补偿电路很难有效地对各种误差进行补偿。为此,本文设计了一种电路,不用补偿电路就能有效地对各种误差进行补偿。
 
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
 
主要误差及产生原因

1.零位误差
 
零位误差是由不等位电势所造成的。产生不等位电势的主要原因是:2个霍尔电极没有安装在同一等位面上;材料不均匀造成电阻分布不均匀,控制电极接触不良,造成电流分布不均匀等。
 
2.寄生直流电势误差
 
产生寄生直流电势的主要原因是:控制极与霍尔极元件接触不良,形成非欧姆接触;2个霍尔电极大小不对称,使2个电极的热容量不同,散热状态不同,两极间出现温差电势,使霍尔元件产生温漂所致。
 
3.感应零位电势误差
 
霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时,即使不加控制电流,由于霍尔极分布不对称,霍尔端也有一定输出,其大小正比于磁场的脉动频率、磁感应强度的幅值和两霍尔电极引线构成的感应面积。
 
4.自励磁场零位电势误差
 
当霍尔元件通以控制电流时,此电流也会产生磁场,称自励磁场。当电极引线不对称时,元件两边磁感应强度不相等,将有自励场的零位电势输出。
 
5.温度误差
 
 
目前,为了消除以上误差,除在工艺上注意外,一般都采用电阻补偿电路进行补偿,但在较精密的测量中效果仍不理想。
 
消除各种误差的方法
 
 
所取的电位经运放A4组成的电压跟随器驱动电缆的屏蔽层,这样就较好地抑制了交流共模电压的干扰。图3所示的电路,适用于各种传感器电路。
 
霍尔传感器使用中的注意事项
 
(1)为了得到较好的动态特性和灵敏度,必须注意原边线圈和副边线圈的耦合,要耦合得好,最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径。
 
(2)使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈,且次级电路没有接通电源或副边开路,则其磁路被磁化,而产生剩磁,影响测量精度(故使用时要先接通电源和测量端M),发生这种情况时,要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源,而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。
 
(3)在大多数场合,霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力,一般在距离模块5-10cm之间存在一个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的,但当有更强的磁场干扰时,要采取适当的措施来解决。通常方法有:
 
① 调整模块方向,使外磁场对模块的影响最小
 
② 在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩
 
③ 选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块。
 
(4)测量的最佳精度是在额定值下得到的,当被测电流远低于额定值时,要获得最佳精度,原边可使用多匝,即:IpNp=额定安匝数。另外,原边馈线温度不应超过80℃。
 
 
霍尔传感器的特点(与普通互感器比较)
 
1、 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压,如:直流、交流、脉冲波形等,甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的,它一般只适用于测量50Hz正弦波。
 
2、 原边电路与副边电路之间完全电绝缘,绝缘电压一般为2KV至12KV,特殊要求可达20KV至50KV。
 
3、 精度高:在工作温度区内精度优于1%,该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。
 
4、 线性度好:优于0.1%
 
5、 动态性能好:响应时间小于1μs跟踪速度di/dt高于50A/μs
 
6、 霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms,它已不能适应工作控制系统发展的需要。
 
7、 工作频带宽:在0-100kHz频率范围内精度为1%。在0-5kHz频率范围内精度为0.5%。
 
8、 测量范围:霍尔传感器模块为系统产品,电流测量可达50KA,电压测量可达6400V。
 
9、 过载能力强:当原边电流超负荷,模块达到饱和,可自动保护,即使过载电流是额定值的20倍时,模块也不会损坏。
 
10、 模块尺寸小,重量轻,易于安装,它在系统中不会带来任何损失。
 
11、 模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的,在很多应用中,共模电压的各种影响通常可以忽略,当达到几千伏/μs的高压变化时,模块有自身屏蔽作用。
 
12、 模块的高灵敏度,使之能够区分在“高分量”上的弱信号,例如:在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。
 
13、 可靠性高:失效率:λ=0.43╳10-6/小时
 
14、 抗外磁场干扰能力强:在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流(2Ip)的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%,这对大多数应用,抗外磁场干扰是足够的,但对很强磁场的干扰要采取适当的措施。
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