摘要，本頁為霍爾電流傳感器說明書主要介紹電流傳感器中霍爾電流傳感器的工作原理，直放式(開環(huán))電流傳感器(CS系列)跟 磁平衡式(閉環(huán))電流傳感器(CSM系列)的區(qū)別及霍爾傳感器的安裝規(guī)范。

　　一什么是霍爾電流傳感器

　　霍爾電流傳感器包括開環(huán)式和閉環(huán)式兩種，高精度的霍爾電流傳感器大多屬于閉環(huán)式，閉環(huán)式霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環(huán)原理，當(dāng)原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補(bǔ)償電流，用于抵消原邊IP產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經(jīng)過特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。

　　二、霍爾電流傳感器的工作原理

　　2.1直放式(開環(huán))電流傳感器

　　當(dāng)原邊電流IP流過一根長導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場，這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測量并放大輸出，其輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標(biāo)定為4V。

　　2.2磁平衡式(閉環(huán))電流傳感器

　　磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個(gè)次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。

　　具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動(dòng)功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過Is來測試Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復(fù)上述過程重新達(dá)到平衡。被測電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。因此，從宏觀上看，次級的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等。

　　閉環(huán)式霍爾電流傳感器與開環(huán)式霍爾電流傳感器的主要區(qū)別

　　A、帶寬區(qū)別

　　微觀上講，氣隙處的磁場始終在零磁通附近變化，由于磁場變化幅度非常小，變化幅度小，變化的頻率可以更快，因此，閉環(huán)式霍爾電流傳感器具有很快的響應(yīng)時(shí)間。實(shí)際的閉環(huán)式霍爾電流傳感器帶寬通常可以達(dá)到100kHz以上。而開環(huán)式霍爾電流傳感器的帶寬通常較窄，如：LEM公司的HAZ系列開環(huán)式霍爾電流傳感器的帶寬在3kHz左右。

　　B、精度區(qū)別

　　開環(huán)式霍爾電流傳感器副邊輸出與磁芯氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而磁芯由高導(dǎo)磁材料制作而成，非線性和磁滯效應(yīng)是所有高導(dǎo)磁材料的固有特點(diǎn)，因此，開環(huán)式霍爾電流傳感器一般線性度角差，且原邊信號在上升和下降過程中副邊輸出會(huì)有不同。開環(huán)式霍爾電流傳感器精度通常劣于1%。閉環(huán)式霍爾電流傳感器由于工作在零磁通狀態(tài)，磁芯的非線性及磁滯效應(yīng)不對輸出造成影響，可以獲得較好的線性度和較高的精度。閉環(huán)式霍爾電流傳感器精度一般可達(dá)0.2%。

　　三、霍爾電流傳感器應(yīng)用

　　近年來，自動(dòng)化系統(tǒng)中大量使用大功率晶體管、整流器和可控硅，普遍采用交流變頻調(diào)速及脈寬調(diào)制電路，使得電路中不再只是傳統(tǒng)的50周的正弦波，出現(xiàn)了各種不同的波形。對于這類電路，采用傳統(tǒng)的測量方法不能反應(yīng)其真實(shí)波形，而且電流、電壓檢出元件也不適應(yīng)中高頻、高di/dt電流波形的傳感和檢測。

　　霍爾效應(yīng)傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。針對霍爾效應(yīng)傳感器普遍存在溫度漂移大的缺點(diǎn)，采用補(bǔ)償電路進(jìn)行控制，有效地減少了溫度對測量精度的影響，確保測量準(zhǔn)確；具有精度高、安裝方便、售價(jià)低的特點(diǎn)。

　　霍爾效應(yīng)傳感器廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、ups電源、通信電源、電焊機(jī)、電力機(jī)車、變電站、數(shù)控機(jī)床、電解電鍍、微機(jī)監(jiān)測、電網(wǎng)監(jiān)測等需要隔離檢測電流電壓的設(shè)施中。

　　四、霍爾電流傳感器測量

　　霍爾電流傳感器尤其是閉環(huán)式霍爾電流傳感器因其寬頻帶、交直流兩用、不易磁飽和等特點(diǎn)，在工業(yè)測控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，霍爾電流傳感器也存在一些不足：

　　1、相比電磁式電流互感器，其二次電流較小，抗干擾能力相對較弱；

　　2、易受環(huán)境磁場的影響，降低測量精度；

　　3、一般不提供角差指標(biāo)，用于功率測量時(shí)，系統(tǒng)誤差無法溯源。

　　一般建議，霍爾電流傳感器用于不涉及功率測量的或?qū)纫蟛桓叩囊钥刂茷槟康牡臏y量；對于工頻正弦電路的功率測量或電能計(jì)量，推薦采用電磁式電流互感器；對于變頻電量的高精度測量，尤其是相位相關(guān)的功率測量

　　五、霍爾電流傳感器安裝規(guī)范

　　為了達(dá)到霍爾電流互感器的測量精度，安裝規(guī)范一般有如下要求：

　　1、電纜(或其它載流導(dǎo)體)需垂直穿過孔徑;

　　2、電纜(或其它載流導(dǎo)體)需在孔徑的軸線上;

　　3、電纜(或其它載流導(dǎo)體)最好充滿孔徑;

　　4、霍爾電流傳感器附近，不宜有強(qiáng)磁場。

　　霍爾電流傳感器安裝規(guī)范示意，如圖1所示。

　　六、霍爾電流傳感器安裝規(guī)范分析

　　原邊導(dǎo)體流過電流時(shí)，在導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，磁通包括穿過鐵芯(磁芯)的主磁通和不穿過鐵芯的漏磁通。霍爾元件置于霍爾電流傳感器的鐵芯開口氣隙中，通過檢測主磁通的磁感應(yīng)強(qiáng)度來反映導(dǎo)體中的電流。霍爾電流傳感器分為開環(huán)式和閉環(huán)式，（接線圖看上文第二點(diǎn)）

　 主磁通及漏磁通都與載流導(dǎo)體與氣隙及鐵芯的相對位置有關(guān)，載流導(dǎo)體從霍爾電流傳感器孔徑中穿過的方式直接影響測量精度，特別是當(dāng)載流導(dǎo)體與鐵芯的距離及氣隙的距離為同一數(shù)量級時(shí)，漏磁的影響不可忽略!

　　由于霍爾電流傳感器的鐵芯是開口結(jié)構(gòu)，測量精度易受周圍外部環(huán)境磁場的影響，如變壓器及流過大電流的載流體等。并且在三相電測試中，各相間的霍爾電流傳感器應(yīng)保持一定的距離，避免相互電磁干擾。

　　七、如何規(guī)范安裝才能發(fā)揮霍爾電流傳感器的精度

　　實(shí)際工程應(yīng)用中，全部滿足上述的安裝規(guī)范要求，若采用電纜穿心，幾乎不能做到。因此，最好依據(jù)霍爾電流傳感器孔徑的形狀和尺寸，制作相當(dāng)形狀和尺寸銅排或銅棒，如圖3所示。

　　圖3銅排及銅棒

　　事實(shí)上，為了提高霍爾電流傳感器的實(shí)際測量精度，并且方便客戶的使用，部分廠家(例如LEM萊姆)的高精度霍爾電流傳感器采用銅排接入方式，如圖4所示。

　　霍爾電流傳感器磁飽和問題

　　許多霍爾電流傳感器廠家在其技術(shù)資料的也將無磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)來宣傳。霍爾電流傳感器不會(huì)發(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應(yīng)用以來就得到廣泛認(rèn)可的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

　　事實(shí)是不是這樣呢？

　　事實(shí)上，霍爾電流傳感器包含了非線性的磁芯，就已經(jīng)決定了霍爾電流傳感器在特定情況下，一定會(huì)發(fā)生磁飽和！

　　01開環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題

　　下圖為所有高導(dǎo)磁材料的典型磁化曲線示意圖：

　　圖3霍爾電流傳感器磁芯的磁化曲線

　　圖中，Oa’為起始非線性段，a’a’’為線性段，a’’a為飽和區(qū)。眾所周期，為了獲取較好的測量結(jié)果，不論是開環(huán)式霍爾電流傳感器，還是電磁式互感器，都會(huì)將磁化曲線中線性度較好的一段作為工作區(qū)間。換言之，只要磁感應(yīng)強(qiáng)度超出線性區(qū)域一定的范圍，就會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　與電磁式互感器相比，開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和原因只有一個(gè)，就是原邊電流足夠大。

　　不會(huì)因?yàn)殡娏黝l率低導(dǎo)致磁飽和，是霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)，也是開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和特點(diǎn)。

　　相比之下，電磁式互感器也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是二次負(fù)荷足夠小時(shí)，即便過載較多，也不會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　02閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題

　　開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題較簡單，相比之下，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題似乎不可理解，因?yàn)殚]環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時(shí)，磁芯中的磁通為零，零磁通下，自然不會(huì)飽和。

　　然而，這只能將是在正常工作條件下！

　　事實(shí)上，即便是電磁式電流互感器或開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題都是發(fā)生在過載，頻率過低，負(fù)荷過大等非正常工作條件下，正常工作條件下，都不會(huì)發(fā)生磁飽和！

　　從閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理可知，零磁通是建立在副邊補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁場可以抵消原邊導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場的前提下。那么，當(dāng)閉環(huán)式霍爾電流傳感器是不是任何情況下都可以維持這個(gè)零磁通呢？

　　顯然不是！

　　A、傳感器未供電的情況下，副邊補(bǔ)償繞組不產(chǎn)生電流，此時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)式霍爾電流傳感器，只要原邊電流夠大，就會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　B、正常供電，原邊電流過大。這是因?yàn)槎窝a(bǔ)償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的，當(dāng)原邊電流產(chǎn)生的磁場大于副邊補(bǔ)償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場時(shí)，磁平衡被打破，磁芯中有磁場通過，原邊電流繼續(xù)加大時(shí)，磁芯中磁場也隨著增大，原邊電流足夠大時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)！

　　與電磁式電流互感器及開環(huán)式霍爾電流傳感器相比，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和現(xiàn)象不易發(fā)生，但不等于不會(huì)發(fā)生，使用不當(dāng)或長時(shí)間過載，也會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　八結(jié)語

　　1、規(guī)范安裝是霍爾電流傳感器達(dá)到標(biāo)稱精度的前提。

　　2、采用與霍爾電流傳感器孔徑尺寸相當(dāng)?shù)你~棒或銅排接入，回避了穿心導(dǎo)體位置及尺寸對測量精度的影響，最大程度的保證了測量精度。

　　3、由生產(chǎn)廠家直接提供銅排接入方式的傳感器，無需用戶自行定制，極大的方便了客戶使用。