一种应用于复杂环境的霍尔电流传感器设计

赵振起 迟 超 董新平 王 辉

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨150028）

电流传感器越来越广泛应用于航空、航天、火车、船舶等领域，用于电机伺服器对电流进行准确检测，其优点为非接触式、灵敏度高、精度高，但随着使用环境越来越严苛复杂，在面对高低温、高湿、低气压、振动、冲击等应用环境时，电流传感器会出现性能降低、失效等问题。因此设计了一种高环境适应性的双路闭环霍尔电流传感器，以满足严苛复杂使用环境的需要。

1 工作原理

传感器工作原理是应用霍尔磁平衡式测量原理，如图1 所示[2]。待测导线中的原边电流I1在聚磁环中产生了初级磁场B1，作用于霍尔元件，使其有电压信号输出，该电压信号经放大输入到功率放大器，通过功率放大器输出次级电流I2，I2流经缠绕在聚磁环上，匝数为N2的次级补偿线圈。次级线圈产生的磁场B2与原边电流I1产生的初级磁场B1相反，因而补偿了初级磁场，使霍尔输出逐渐减小，当初次级磁场相等时，补偿电流不再增大，从而达到磁平衡式状态。它采用磁补偿,保证霍尔器件工作在零磁场状态, 从而避免了霍尔器件本身带来的精度、线性度、温度特性等影响,能够提高测量仪的精度和线性度，以及温度稳定性。

图1 电流传感器原理图

当霍尔元件达到磁平衡式状态时，则有I1N1=I2N2。因此可以通过次级电流，以及待测导线与次级线圈匝数比，得到计算的原边电流的公式。

式中：

I1-初级线圈电流，A；

N1-初级线圈匝数；

I2-次级线圈电流，A；

N2-次级线圈匝数。

可算出待测导线流经电流。

2 结构及环境防护设计

影响产品性能稳定的因素主要为霍尔元件与聚磁环的相对位置，电子元器件及原材料的工作温度及潮湿环境下的电子元器件稳定工作，因此为保证产品有良好的环境适应性，环境防护设计目前主要从以下几方面进行：

（1）力学设计（振动、冲击）；

（2）热设计（高温、低温）；

（3）三防设计（防潮湿、防霉菌、防盐雾）。

2.1 力学环境防护设计

传感器整体采用灌封一体化结构设计，由外壳、霍尔元件及聚磁环组件、电路组件、电气连接部分等构成，外壳材料采用铝合金（2A12T4），机械加工成型后，表面黑色阳极化处理。内部使用南大704 冷硫化胶实现灌封固定，全密封一体化结构设计，霍尔元件置于聚磁环气隙处，能最大程度地感应垂直穿过霍尔元件的磁场[3]，保证霍尔元件及聚磁环相对位置稳定,如图2 所示。

图2 传感器结构分解示意图

2.2 热学环境防护设计

除外壳为铝合金外，用于灌封的南大704 胶，固化后使用温度范围为（-50～250）℃，且在（-50～125）℃范围内，固化后的胶体随温度变化极小，不会对传感器性能有影响。所用电子元器件的工作温度范围均为（-55～125）℃，远宽于常规传感器的使用环境温度范围，使传感器工作温度达到（-50～125）℃。

2.3 三防设计

整个电路组件喷涂三防漆（TS01-3），起到三防保护作用，该材料用于保护电路板免受外界环境的侵蚀。具有良好的耐高低温性能；其固化后形成一层保护膜，具有优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化等性能；其内部各种性质稳定，在长期存放条件下材料内部性质不发生变化[4]。

3 电路设计

霍尔电流传感器的电路原理如图3 所示[5]。

主要有电磁转换、磁电转换、信号放大、功率放大和取样输出五部分组成，完成对电机电流的采样、信号转换调理、信号输出的功能。

图3 传感器电路原理图

在额定工况时，电流主要由R1 支路、运算放大器、功放电路构成，功放电路电流大小为40mA,因此合计电流约61.4mA。传感器静态工作时，可通过调试电阻R7 实现功放电路控制，并调整功放电路静态电流为0mA 左右。传感器在额定120A 条件下工作时，根据磁平衡原理可实现功放电路输出电流40mA，通过聚磁环3000 圈的加工精度，从而控制额定输出的误差。通过对元器件进行降额设计，及温度参数选择，可实现在电路控制中，对热零点漂移进行控制。

在传感器设计中，采用高精度的绕线控制技术，从而可控制电流绕线误差在±0.2%FS。而磁平衡时电流传感器输出的线性度主要受绕线误差影响，因此可控制传感器线性度。

C2，C3 组成抗电瞬变干扰电路，为提高电路可靠性，C2 或C3 均由二个电容串联组成，即使有一个电容“短路”，也不会使电路失效和影响外电源工作。

4 试验结果

产品制作完成后，使用高精度大电流发生器对电流传感器进行电性能测试；使用高低温试验箱，温湿度试验箱，真空试验箱，振动台，冲击台对电流传感器进行环境适应性试验。在环境试验前后对传感器进行性能检测并对比结果。

表1 环境试验前后性能检验

表2 环境试验项目

由试验结果可以看出，环境试验前后，产品性能保持稳定，线性度、测量精度、热零点漂移等参数仅有微小变化。

5 结论

本文设计了一种可以适应复杂使用环境的双路闭环霍尔电流传感器，具有体积小，测量范围宽，高精度、高可靠性的特点。经过测试，此电传感器测量精度可达0.18%FS，响应时间可达4.3μs，且工作温度可达（-50～125）℃，且最大温漂不超过0.064mA/℃。在高低温、高湿、低气压、振动、冲击等复杂使用环境下仍保持结构稳定功能完善，可广泛应用于航空、航天、船舶、火车、汽车等对环境适应性有高要求的领域。