CN104198976A

CN104198976A - 一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法

Info

Publication number: CN104198976A
Application number: CN201410482287.6A
Authority: CN
Inventors: 成龙; 侯彦宾; 孙万蓉; 岳智佳; 张霞霞; 魏雪松; 王磊磊; 王丹宇
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: CN104198976B

Abstract

本发明公开了一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法,其包括以下步骤：步骤S1，测量霍尔电压传感器的幅频特性数据；步骤S2，计算霍尔电压传感器不同输入信号频率值对应的频率响应；步骤S3，绘制频率响应的拟合曲线；步骤S4，对频率响应的拟合曲线进行分段线性评估，得到霍尔电压传感器的输入信号频率分段对应的频率响应的代表值；步骤S5，计算霍尔电压传感器的输入信号频率分段对应的校正系数；步骤S6，将输入信号频率分段区间和对应的校正系数制成表格。本方法扩展了霍尔电压传感器的频率响应范围，使其能够准确测量2kHz以内的交流电压信号，从而可以应用于高压工业级功放系统的输出电压测量。

Description

一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法，尤其涉及一种能够利用霍尔电压传感器准确测量2kHz以内的交流电压信号的方法。

背景技术

在电子电路领域，为了测量高压输出信号(电压高达几千伏)，通常采用电阻分压检测法利用电阻串联将高电压进行分压，然后通过测量分压电阻的电压，计算得出分压前的电压。

现有技术中利用霍尔电压传感器测量电压的方案如图1所示：首先，上级输出电压经过分压电路，再经过跟随器电路隔离后送入霍尔电压传感器，霍尔电压传感器对信号进行隔离测量，再接到下级电路。

其中，跟随器电路是放大倍数等于1的电压放大器，具有输入阻抗大，输出阻抗小的特点，可以实现前后两级电路的阻抗匹配。通常霍尔电压传感器可以直接测量几伏到几百伏的交流电压。

然而在实际测量过程中发现，现有技术的方案存在以下缺点：

(1)霍尔电压传感器因存在频率响应问题，将导致电压测量结果的不准确。霍尔电压传感器的频率响应影响电压测量值的大小，其具体表现为在输入信号幅度保持不变的情况下，当输入信号的频率由低到高变化时，霍尔电压传感器的输出电压会逐渐减小。

(2)霍尔电压传感器目前习惯应用于频率较低的工频(50/60Hz)电压测量，其一般不能应用于较高频率的电压测量，适应输入信号频率的变化能力也较差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法，通过对霍尔电压传感器的响应频率进行分段线性评估，从而引入校正系数的计算，改善霍尔电压传感器因频率响应的问题影响输出电压结果，使得即使输入信号频率比较宽，霍尔电压传感器的测量结果都有一定准确性。

本发明的一个方面是提供一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法,其包括以下步骤：

步骤S1，测量霍尔电压传感器的幅频特性数据；即在霍尔电压传感器的输入信号幅度不变的情况下，改变其输入信号频率，测量其输出电压，取得霍尔电压传感器的输入信号频率值f、输入电压值U_i、输出电压测量值U_m；

步骤S2，根据上述取得的输入信号频率值f、输入电压值U_i、输出电压测量值U_m计算出霍尔电压传感器不同输入信号频率值对应的频率响应H，其中

步骤S3，根据上述取得的输入信号频率值f、输入电压值U_i、输出电压测量值U_m和频率响应H拟合绘制出频率响应曲线；

步骤S4，对绘制出的频率响应曲线进行分段线性评估，即评估出在某一段频率范围内，当霍尔电压传感器的频率响应H变化较小时，认为该段频率范围内的霍尔电压传感器的频率响应H为一固定值，得到霍尔电压传感器的输入信号频率分段对应的频率响应的代表值H_i；

步骤S5，计算出霍尔电压传感器使用各个输入信号频率测量输出电压值的校正系数a_i，该校正系数H₁₀₀为输入信号频率f为100Hz时的频率响应值；H_i为各个输入信号频率对应的频率响应值，其可在步骤S4中的代表值中查到。

其中，在上述发明中，所述步骤S3中的幅频特性曲线是在MATLAB中利用多项式拟合绘制得出的。

其中，在上述发明中，所述步骤S4包括：

参照拟合曲线，以输入信号频率100Hz为左端点A，寻找位于拟合曲线上，且频率响应H_i与A点相差5％的B点，然后再以B点为基准点，寻找与B点频率响应相差5％的右端点C，将B点对应的频率响应值作为A点与C点之间的输入信号频率的频率响应的代表值，且该频率响应的代表值代表右端点C点的频率响应，不代表左端点A点的频率响应值；然后再以C点当作左端点，继续计算右端点，以此类推进行分段线性评估。

其中，在上述发明中，其还包括步骤S6，将最终得到的输入信号频率分段数据和其对应的校正系数a_i整理制成表格。

本发明的另一个方面是提供一种利用上述霍尔电压传感器的校正方法测量电压的方法，其包括以下过程：首先利用测频电路测量出霍尔电压传感器的输入信号频率；然后按照该频率找到对应的校正系数a_i；最后根据校正系数a_i和霍尔电压传感器的输出电压测量值计算出校正电压；其中校正电压等于输入信号频率对应的校正系数a_i乘以霍尔电压传感器的输出电压测量值U_m。

本发明的一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法，利用霍尔电压传感器的电路结构和工作原理实质上相当于一个低通滤波器，其-3dB带宽和电路中其他元件的参数密切相关。利用确保原边电路电流满足输入要求的前提下，原边电路输入端的限流电阻越大，霍尔电压传感器的-3dB带宽越大，实现了霍尔电压传感器相应的频率响应范围加宽的目标。

同时，本发明对一种用于霍尔电压传感器测量电压的方法通过引入数据校正的方法，扩展了霍尔电压传感器的频率响应范围，使其能够准确测量2kHz以内的交流电压信号，从而可以应用于高压工业级功放系统的输出电压测量。增加校正功能后的电压测量方案，在常用的测量方案基础上添加一个测频电路和校正方法，改善了霍尔电压传感器受频率响应的影响，让其测量更加精准，整个测量误差小于5％，从而可以应用于高压工业级功放系统的输出电压测量。该方法将处理后的数据列成表格，供后续测量电压时能够快速查表使用。该查表法测量电压相比于其他方法，具有简便、快速、占用资源少的优点。

另外，本发明的霍尔电压传感器的校正方法和利用该校正方法的电压测量方法都将霍尔电压传感器视作一个黑盒，不详细研究它内部的电路结构，只考虑它输入输出端口的频率响应特性，这样就大幅简化了电压测量计算过程。

附图说明

图1为现有技术中基于霍尔电压传感器的测量电压的方案示意框图；

图2为本发明基于霍尔电压传感器的测量电压的方案示意框图；

图3为霍尔电压传感器的工作原理图；

图4为本发明一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法的流程示意图；

图5为本发明一种利用上述霍尔电压传感器的校正方法测量电压的方法的流程示意图；

图6为实例1的在MATLAB中利用多项式拟合绘制的幅频特性曲线示意图。

图7为实例1的在MATLAB中针对拟合曲线进行频率分段的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

首先，对本发明涉及到的霍尔电压传感器工作原理进行分析，图3表示本发明涉及到的霍尔电压传感器的工作原理图。

如图3所示，可以把霍尔电压传感器内部的左右电路分别称为原边电路与副边电路。在霍尔电压传感器中，原边电路与副边电路是耦合关系，且原边电路与副边电路耦合线圈匝数比是n:1。规定输入信号电压大小是U_i，原边电路电流大小是I₁，副边电路电流大小是I₂。由电路基本定理可知：

I_{1} = \frac{U_{i}}{R_{1} + r_{1} + jωL}

I₂＝n×I₁

U_{m} = I_{2} \times R_{m} = n \times I_{1} \times R_{m} = \frac{{nR}_{m}}{R_{1} + r_{1} + jωL} U_{i}

其中，I₁为原边电路电流大小，也即输入电流值；U_i为输入电压值，R₁为输入端电阻值；r₁为原边电路线圈内阻值；j为虚数单位；ω＝2πf正比于输入信号频率值f；L为原边线圈电感值；jωL为原边线圈阻抗值；n为原边电路与副边电路耦合线圈匝数比；U_m为输出电压值，R_m为输出端电阻值。

由以上公式可知，当输入交流信号时，输入信号频率的变化会对输出电压的大小产生影响。若输入信号频率变大，则I₁变小，I₂也变小，故U_m也变小。因此造成霍尔电压传感器的幅频特性类似于一个低通滤波器。

实施例1：为了进一步研究该现象，单独对霍尔电压传感器进行测试。

经过测试发现，所选用的霍尔电压传感器，当输入信号为正弦波，频率低于2KHz时，经过霍尔电压传感器采样后输出也为正弦波。实际测试过程包括以下步骤：

步骤S1，测量霍尔电压传感器的幅频特性数据；即在霍尔电压传感器的输入信号幅度不变的情况下，改变其输入信号频率，测量其输出电压，取得霍尔电压传感器的输入信号频率值f、输入电压值U_i、输出电压测量值U_m。

步骤S3，根据上述取得的输入信号频率值f、输入电压值U_i、输出电压测量值U_m和频率响应H拟合绘制出频率响应曲线；具体为在MATLAB中利用多项式拟合绘制出该幅频特性曲线。

步骤S4，对于拟合绘制出的幅频特性曲线进行分段线性评估，即评估出在某一段频率范围内，当霍尔电压传感器的频率响应H的变化较小时，认为该段频率范围内的霍尔电压传感器的频率响应H为定值不变，得到霍尔电压传感器的各输入信号频率分段对应的频率响应的代表值H_i；

具体为：参照拟合曲线，以输入信号频率100Hz为左端点A，寻找位于拟合曲线上，且频率响应H_i与A点相差5％的B点，然后再以B点为基准点，寻找与B点频率响应相差5％的右端点C，将B点对应的频率响应值作为A点与C点之间的输入信号频率的频率响应的代表值，且该频率响应的代表值代表右端点C点的频率响应，不代表左端点A点的频率响应值；然后再以C点当作左端点，继续计算右端点，以此类推进行分段线性评估。

步骤S5，计算出霍尔电压传感器使用各个输入信号频率测量输出电压值的校正系数a_i，该校正系数H₁₀₀为输入信号频率f为100Hz时的频率响应值，H_i为各个输入信号频率对应的频率响应值，其可在步骤S4中的代表值中查到。

其还包括步骤S6，将最终得到的输入信号频率分段数据和其对应的校正系数a_i整理制成表格。

在本实例中，霍尔电压传感器选用森社公司的CHV-25P,输入限流电阻R₁＝1000Ω，输出端电阻R_m＝100Ω。然后输入正弦波信号，信号峰峰值设置为±5V,输入信号的频率从100Hz逐渐增大到2KHz，输出端口接到示波器，记录各频率对应的输出电压值大小。测完之后再将信号峰峰值换成±10V，其它步骤不变，再次测量。

测得的部分数据如表1所示，其为霍尔电压传感器的幅频特性数据：

表1 霍尔电压传感器CHV-25P的幅频特性数据

信号频率	Um10Vpp	Um20Vpp
			100Hz	2.16	4.20
200Hz	2.04	4.04
			300Hz	1.96	3.88
400Hz	1.88	3.68
			500Hz	1.80	3.56
600Hz	1.70	3.32
			700Hz	1.60	3.16

800Hz	1.54	3.00
			900Hz	1.46	2.84
1000Hz	1.36	2.68
			1200Hz	1.22	2.40
1500Hz	1.04	2.04

通过表1可以发现：首先，霍尔电压传感器各频率信号的输出电压值与输入电压值成正比。其次，随着频率增大，信号衰减明显，频率为100Hz时测量值最大。为保证测量结果的准确性，需要对测得的电压值进行校正后输出。

本发明把霍尔电压传感器模型视作一个黑盒。霍尔电压传感器输入端电压值为U_i,输出端电压值为U_m。它的频率响应要保证校正后的输出电压U_o相比于测得的电压U_m较为稳定，所以对测得的电压值U_m乘以一个校正系数a得到U_o＝a×U_m。并且由于信号衰减是难以避免的，所以把输出值校正到信号频率为100Hz时的最大值,令U_o＝a×U_m＝a×H×U_i

表2 CHV-25P端口电压(f＝100Hz)

(Vpp)	(Vpp)
			10	2.16	0.216
20	4.20	0.210

当输入的信号频率为100Hz时，其对应的频率响应值H₁₀₀接近0.21(这取决于本实例中器件选取CHV-25P,R₁＝1000Ω，R_m＝100Ω导致)；为近似计算，取H₁₀₀＝0.21，即a×H＝0.21。本实例中a和H有多个值，为区分开，写为a_i和H_i，即a_i×H_i＝0.21。

由于测得的数据样本数量有限，而实际情况中还有其它频率的信号值存在，为了覆盖所有频率，假定位于某一段频率范围内，它的频率响应不变。这就需要对频率响应进行近似计算，即对频率响应进行分段线性评估。

具体计算步骤如下：

首先，由于输出与输入呈线性关系，本实例可以取输入信号为20Vpp电压时的测量值进行计算。

其次，求出频率响应H，如表3所示。并在MATLAB(一种应用软件)中利用多项式拟合绘制出频率响应H的拟合曲线，如图6所示。

表3 CHV-25P的频率响应H

信号频率	Um20Vpp	H
			100Hz	4.20	0.210
200Hz	4.04	0.202
			300Hz	3.88	0.194
400Hz	3.68	0.184
			500Hz	3.56	0.178
600Hz	3.32	0.166
			700Hz	3.16	0.158
800Hz	3.00	0.150
			900Hz	2.84	0.142

1000Hz	2.68	0.134
			1200Hz	2.40	0.120
1500Hz	2.04	0.102

然后，在MATLAB中，参照拟合曲线，以信号频率100Hz为左端点A，寻找位于拟合曲线上，且频率响应与A点相差5％的B点(工程上普遍接受5％误差范围)，然后再以B点为基准点，寻找频率响应与B点相差5％的右端点C，如图7所示，需要记录A，C两点的频率值以及B点的频率响应值，然后再把C点当作左端点，继续计算右端点，以此类推。

接下来制作表格，A，C两点的频率值作为频率分段区间，B点的频率响应值作为该频率区间的频率响应代表值，如表4所示，其中每个频率分段区间都对应不同的频率响应代表值。同时根据可得到每个频率分段对应的校正系数a_i。(频率分段不包含左端点，包含右端点)

表4 校正系数表

再然后，验证校正系数a_i的正确性。针对实测数据U_m计算校正后的电压值U_o＝a_i×U_m，与频率为100Hz时的输出电压值比较求相对误差，看误差大小，如表5和表6所示，所有数据点的误差都在±5％范围内(工程上普遍接受5％误差范围)，所以证明利用校正方法来测量电压的方法可行。

表5 校正系数a_i验证表

表6 校正系数a_i验证表

最后，把表4整理一下做成表7。测量电压时，测频电路先测量输入信号的频率f，然后按照频率f值(频率分段不包含左端点，包含右端点)在校正系数表中找到对应的校正系数a_i，同时也得到霍尔电压传感器测量值U_m,计算U_o＝a_i×U_m得到U_o，作为校正后的电压值输出。当输入信号频率是100Hz时，校正系数取为1。

表7 校正系数表

频率分段区间(注)	校正系数a_i
		100Hz	1
100-343Hz	1.053
		343-545Hz	1.163
545-731Hz	1.285
		731-913Hz	1.421
913-1093Hz	1.570
		1093-1273Hz	1.736
1273-1460Hz	1.920
		1460-1653Hz	2.121
1653-1838Hz	2.344
		1838-2000Hz	2.593

注：频率分段区间不包含左端点，包含右端点

综上所述，本发明对一种使用霍尔电压传感器测量电压的方案引入频率响应曲线的分段线性评估和数据校正方法，扩展了霍尔电压传感器的测量频率范围，使其能够准确测量2kHz以内的交流电压信号，从而可以应用于高压工业级功放系统的输出电压测量。增加校正功能后的电压测量方案，在常用的测量方案基础上添加一个测频电路和校正方法，改善了霍尔电压传感器频率响应的影响，让测量结果更加精准。该方法将得到的数据列成表格，供测量电压时能够快速查表使用。查表法相比于其他方法，具有简便、快速、占用资源少的优点。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的思想和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改。

Claims

1.一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤S2，根据上述取得的输入信号频率值f、输入电压值U_i、输出电压测量值U_m，计算霍尔电压传感器不同输入信号频率值对应的频率响应H，其中

步骤S4，对绘制出的频率响应拟合曲线进行分段线性评估，即评估出在某一段频率范围内，当霍尔电压传感器的频率响应H的变化较小时，认为该段频率范围内的霍尔电压传感器的频率响应H为定值不变，得到霍尔电压传感器的输入信号频率分段对应的频率响应的代表值H_i；

2.根据权利要求1所述的一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法，其特征在于，所述步骤S3中的频率响应H的拟合曲线是在MATLAB中利用多项式拟合绘制得到的。

3.根据权利要求1所述的一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

参照拟合曲线，以输入信号频率100Hz为左端点A，寻找位于拟合曲线上，且频率响应H_i与A点相差5％的B点，然后再以B点为基准点，寻找与B点频率响应相差5％的右端点C，将B点对应的频率响应值H_i作为A点与C点之间的输入信号频率的频率响应的代表值，且该频率响应的代表值代表右端点C点的频率响应值，不代表左端点A点的频率响应值；然后再以C点当作左端点，继续计算右端点，以此类推进行分段线性评估。

4.根据权利要求1所述的一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法，其特征在于，其还包括步骤S6，将最终得到的输入信号频率分段数据和其对应的校正系数a_i整理制成表格。

5.一种利用权利要求4所述的校正方法测量电压的方法，其特征在于：首先利用测频电路测量出输入信号频率；然后按照该频率找到对应的校正系数；最后根据校正系数和霍尔电压传感器的输出电压测量值计算出校正后的电压值；其中校正后的电压值等于对应的校正系数乘以霍尔电压传感器的输出电压测量值。