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霍尔电流传感器及其自动调测系统的设计

作　者: 齐冬梅
导　师: 吉小军；李卫东
学　校: 上海交通大学
专　业: 仪器仪表
关键词: 霍尔电流传感器调测系统电流测量自动调试
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着新器件和新的控制技术的使用,控制系统中的电流信号不再局限于传统的50Hz正弦波,而可能是各种形状复杂的脉动信号,且主电路和控制回路之间要隔离。传统的电流检测方法已经不能满足这些波形的控制和测量要求,因此必须结合实际需求研究和开发新的电流测量方法和检测设备,其中霍尔电流传感器正是在此背景下诞生的一种性能优越的电流测量装置。本文在介绍霍尔电流传感器原理的基础上,给出了磁平衡式霍尔电流传感器的数学模型并进行了数学分析,对磁平衡式霍尔电流传感器进行了设计,并对其主要性能指标的影响因素进行了分析,提出了提高传感器性能指标的设计思路和方法。针对目前生产中采用人工调试效率低、质量不稳定的弊端,本文设计开发了霍尔电流传感器自动调测系统,用来对传感器的线性度、准确度及零点三个参数进行调试和出厂测试。操作人员可以通过人机界面进行调试和测试,调测系统通过对采集的数据进行计算、比较,指导操作人员的每一步工作,自动完成零点和线性度以及准确度的调试和测试,从而提高传感器的调试/测试的效率和质量。本文对传感器的自动调测的总体方案进行论述,并对组成系统的各个单元进行分解设计。传感器的自动调测系统由四个单元组成:数据采集单元一(进行与线性度及准确度相关的数据采集和处理)、数据采集单元二(完成与零点相关的数据采集和处理)、单片机协调控制单元(采用80C320进行协调控制)及上位机单元(用VB进行数据采集处理运算)。在每个单元,从该单元的设计要求、实现方式选择、硬件设计及功能实现等细节的角度进行详细设计。本文设计的调测系统精度高,通过人机界面操作,操作方便。以型号为QA25-P的电流传感器为例,手工调试一台传感器的平均工时为15分钟;自动调测系统调试一台传感器的平均工时为3分钟。手工调试一台传感器的电阻准确率为75%,自动调测系统调试电阻准确率可达95%以上。该调测系统的成功开发大大提高了生产效率,降低了人工成本和管理成本,已在实际生产获得应用。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
一、引言  7-11
  1.1 电流测量技术发展概述  7-8
  1.2 霍尔电流传感器的应用背景及优越性  8-9
  1.3 霍尔电流传感器的国产化状况及研制生产中存在的问题  9
  1.4 论文的主要工作与内容编排  9-11
二、霍尔电流传感器原理型式及磁平衡式霍尔电流传感器的设计  11-34
  2.1 霍尔电流传感器的工作原理与驱动方式  11-18
    2.1.1 霍尔元件基本工作原理及霍尔元件的基本特性  11-13
    2.1.2 霍尔电流传感器的结构  13-14
    2.1.3 直测式霍尔电流传感器基本组成及工作原理  14
    2.1.4 磁平衡式霍尔电流传感器基本组成及工作原理  14-15
    2.1.5 磁平衡式霍尔电流传感器的应用举例  15-18
  2.2 磁平衡式霍尔电流传感器的数学模型及分析  18-22
    2.2.1 磁平衡式霍尔电流传感器的数学模型  18-20
    2.2.2 磁平衡式霍尔电流传感器的数学分析  20-21
    2.2.3 磁平衡式霍尔电流器对高频噪声的抑制  21-22
  2.3 磁平衡式霍尔电流传感器设计  22-32
    2.3.1 霍尔元件及其驱动部分的设计  22-28
    2.3.2 聚磁环的设计  28-30
    2.3.3 放大处理电路  30-31
    2.3.4 霍尔电流传感器的保护电路及抗干扰,抗振动设计  31-32
  2.4 磁场平衡霍尔电流传感器的主要性能指标及分析  32-33
  2.5 霍尔电流传感器的使用方法  33
  2.6 本章小结  33-34
三、传感器的调测系统的设计  34-64
  3.1 问题的提出  34-35
    3.1.1 调试、测试的任务和目的  34
    3.1.2 现有的调试和测试方法  34
    3.1.3 本设计的目标及意义  34-35
  3.2 自动调测系统的总体方案设计  35-36
    3.2.1 传感器调试和测试系统的设计要求  35
    3.2.2 系统的组成与功能规划  35-36
    3.2.3 系统的工作过程  36
  3.3 线性度和准确度计算方法  36-38
    3.3.1 线性度的计算与调整方法  36-38
    3.3.2 准确度的计算方法  38
  3.4 零点调节的方法  38
  3.5 单片机协调控制单元  38-40
    3.5.1 单片机协调控制单元的硬件组成和功能  38-39
    3.5.2 协调控制单元核心芯片—单片机的选择  39-40
  3.6 数据采集单元一的设计  40-51
    3.6.1 数据采集单元所要完成的任务  40
    3.6.2 数据采集单元一的设计要求  40-41
    3.6.3 数据采集单元一的待测参数及参数特点  41
    3.6.4 测量所需设备及测量通道的选择  41
    3.6.5 数据采集单元一的设计方案及设计步骤  41
    3.6.6 电流/电压的转换  41-44
    3.6.7 A/D 转换  44-45
    3.6.8 放大电路设计  45-47
    3.6.9 模拟量的选通  47-48
    3.6.10 数据采集单元一的硬件原理图  48-49
    3.6.11 数据采集单元一的单片机软件设计  49-50
    3.6.12 数据采集单元一的串口通讯的设计  50-51
  3.7 数据采集单元二的设计  51-59
    3.7.1 数据采集单元二所要完成的任务  51-52
    3.7.2 数据采集单元二的待测参数及参数特点  52
    3.7.3 传感器输出零点进行实时采集的方法选择  52-53
    3.7.4 数据采集单元二的调零电阻选择  53-54
    3.7.5 数据采集单元二的硬件组成  54-56
    3.7.6 计算机与数字万用表的串口通讯设计  56-59
  3.8 上位机(计算机)单元设计  59-61
    3.8.1 上位机单元的功能介绍  59
    3.8.2 实时检测界面模块  59
    3.8.3 参数设置模块  59
    3.8.4 通信模块  59-60
    3.8.5 数据存储及分析处理模块  60-61
  3.9 自动调测系统的设计效果说明  61-62
  3.10 本章小结  62-64
四、总结与展望  64-66
  4.1 本文工作回顾  64
  4.2 成果及意义  64
  4.3 存在的问题及进一步的工作  64-66
参考文献  66-68
致谢  68-69
作者攻读学位期间发表的论文  69-71

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