基于磁场检测的非接触电流测量仪研究

于晓娜

(太原明力达电力设计有限公司，山西 太原 030006)

1 研究意义

在自动控制系统中，直流测速发电机的输出直流电压与转速呈线性关系，因此检测它的输出电压就能间接地检测电机的转速;在许多自动控制系统中，一些控制信号也是直流信号，需要检测，但直流检测往往存在两个最明显的困难:1)直流测量仪表不便串入电路中;2)直流检测电路与被测电路不能直接耦合，否则就会影响被测电路的直流工作点，即直流检测的隔离成为问题。这使传感器和周围的电子电气隔离和保护可以实现。对电气设备的各种非接触性测量中，基于磁场检测的非接触电流测量仪研究便成为现在研究的一个方面，如何更加快捷，安全，有效的通过对磁场的检测而得出电流就显得更加的重要。

磁阻效应(Magnetoresistance Effects)是指某金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的，在传感器线性范围内，其输出电压与被测磁场成正比，进而检测出被测导线的电流值。

2 磁场测量的理论基础

根据奥斯特实验，电流可以产生磁场，根据毕奥萨伐尔定律，一个无限长直导线在通以电流I时会产生环形的感应磁场，在距该导线距离为R处，其磁感应强度B为:

其中，B为磁感应强度，T;μ为介质中的磁导率，H/m;I为导线中电流强度;π为圆周率;R为导线与传感器之间的距离，m。

当导线非无限长时，此时磁感应强度B表达为:

其中，B为磁感应强度，T;μ为介质中的磁导率，H/m;I为导线中电流强度;π为圆周率;R为导线与传感器之间的距离，m;α1，α2均为测量点与导线两端所成的夹角，(°)。

根据电磁场理论，一个圆柱形的导体或者空心圆柱形的导体，在有电流I通过时其在导体外部产生的磁场可以等效成由圆柱中心处的一个线电流I所产生的磁场。

随着全球能源的逐渐枯竭、大气污染的不断加剧以及气温上升带来的危害加重,越来越多的人意识到节能减排是社会发展的方向。因此,电动汽车应运而生,并迅速得以广泛应用[1]。电动汽车作为电力负荷,其充电行为具有间歇性和随机性。在电动汽车充电过程中,由于充电器本身包含各种非线性特性的电力电子元件,会向电力系统注入谐波,当谐波超过一定范围,将会给电网带来谐波污染,从而对电网的稳定性产生影响,同时也将缩短电池的寿命,因此对电动汽车充电过程中的谐波进行分析和检测具有重要意义[2-4]。

3 总体方案

电流检测是检查电力系统工作状态、故障诊断的重要手段。由于通电导线周围伴生相应的感应磁场，磁场大小与电流强度和距导线的距离有关。采用单轴磁传感器测量通电导线周围磁场的大小来实现非接触式电流检测。

主要任务:连接一个待测电流的实验电路，根据霍尼韦尔传感器的原理，霍尼韦尔传感器检测出电流引起的磁场的大小，检测磁感应强度形成检测输入信号。霍尼韦尔传感器将测量点的磁感应强度的大小转化成相应大小的电压值，然后信号再经过信号放大器，A/D转换送到单片机AT89C51中，最后经过LCD显示出被测电流。在掌握基于磁场检测的非接触电流测量仪的工作原理的基础上，设计基于单轴磁传感器的非接触电流测量仪单片机电路设计，编写单片机程序，实现电流强度实时测量，并用protues+Keil仿真调试。

任务分为:传感器模块，键盘模块，单片机对数据处理和对系统的控制。

传感器模块采集被测导线周围的磁信号，将磁信号转换为电压信号，经过二级放大器放大后送入A/D转换器中，A/D转换器将电压的模拟量转换为数字量送到单片机中。

键盘模块给单片机送入传感器与被测导线距离值。

单片机负责对A/D转换器和键盘送来的值进行处理，然后经过相应的算法转化为被测电流值，送到LCD显示模块进行显示。

连接一个待测电流的实验电路，根据霍尼韦尔传感器的原理，霍尼韦尔传感器检测出电流引起的磁场的大小，检测磁感应强度形成检测输入信号。霍尼韦尔传感器将测量点的磁感应强度的大小转化成相应大小的电压值，然后信号再经过信号放大器，A/D转换送到单片机中，最后经过LCD显示出被测电流。系统流程图如图1所示。

图1 系统流程图

方案中用到的AT89C51单片机，霍尼韦尔传感器HMC1021Z，OP07放大电路，A/D转换器ADC0809，液晶显示器LCD1602。

4 系统软件设计

系统软件采用C语言编程，采用模块化结构，主要包括初始化模块、A/D采样处理模块等部分，修改和维护十分方便。初始化模块主要完成各个端口以及2个计时器的初始化，并定义使用的各个端口。A/D采样处理模块主要是对从ADC0809采集来的数据进行处理，并将数据送到LCD1602限时。ADC0809与单片机系统AT89C51的连接采用循环扫描的方式。当A/D转换结束后，ADC0809向CPU发出一个信号，CPU对转换后的数字量进行处理，使LCD显示当前的电流值。

5 仿真实验

采用protues进行仿真。由于protues中没有磁阻传感器，本仿真用测量滑动变阻器两端的电压代替磁阻传感器的输出电压，电压经过放大器放大后，送到模数转换芯片ADC0809，将电压模拟量转换为数字量，送到单片机中，单片机经过相应的算法将磁场强度值转换为被测导线的电流值。单片机执行的算法为:首先运用导线周围磁场和导线电流的关系，得出导线周围的磁场强度。导线周围磁场和导线电流的关系为:

其中，μ0为真空磁导率，μ0=4π ×10－7V·s/(A·m);R 为导线与传感器的距离;I为导线中的电流。

然后再运用传感器检测到磁场强度与输出电压的关系，计算出传感器输出的电压。传感器检测到磁场强度与输出电压的关系为:

其中，16 mV/高斯为HMC1021的灵敏度。

最后计算出被测导线中的电流:

其中，I为被测导线的电流;U为传感器的输出电压;R为导线与传感器之间的距离，在这里我们默认R=1。

1)传感器模块。传感器模块，用滑动变阻器取代传感器，滑动变阻器两端的输出电压表示传感器两端的输出电压。

2)运算放大器模块。运算放大器模块，由于传感器输出电压比较小，需要对输出电压进行发电。采用OP07作为放大器，放大倍数为5倍。

3)AD转换模块。AD转换模块，将放大后的模拟量转化为数字，以便单片机能够识别，本仿真采用 ADC0809，采样频率为12 MHz。选用通道1，将 ADDA，ADDB，ADDC 都置为 0。

4)单片机模块。单片机模块，将ADC0809送来的数字量，经过相应的算法转换为被测导线两端的电压，并将电压值送到数码管显示。

5)仿真举例。当传感器两端输出电压U=10.06 mV时，代入公式可以得知导线产生的磁场:

当距离R=1 m时，将U=10.06代入公式即可算出导体中的电流I=10.06/32×102=31.562 5 A。由于精度有限，所以与显示结果相符。

6 结语

简述了直流大电流测量的背景、意义和发展现状，对各种主要原理进行研究，为电流传感器的开发建立良好的理论基础。研究磁阻传感器原理的基础上，提出了基于霍尔韦尼传感器检测电流的方案，并用protues进行了仿真实验，能实时的检测电流值。

[1] 陈 庆.基于霍尔效应和空芯线圈的电流检测新技术[D].武汉:华中科技大学博士学位论文，2008:118.

[2] 邓重一.利用霍尔传感器芯片设计直流电流检测电路[J].传感器技术，2003，22(6):50-52.

[3] 柳立平，刘 焱.特种电流传感器[J].传感器技术，2003，22(12):68-69.

[4] 王 锋，米 东，徐章遂，等.基于霍尔传感器磁场检测方案[J].仪表技术，2007(8):43-47.