CN106646308A - 一种霍尔钳形表的全自动校准方法及校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种霍尔钳形表的全自动校准方法，其包括以下步骤：(1)、设置PC上位机、标准源、校准夹具和机械手；(2)、机械手抓取被校准霍尔钳形表放置到校准测试架上，机械手将被校准霍尔钳形表转盘开关打到相应的档位上；(3)、被测电线移至钳头铁芯的右侧位置，测量芯片/MCU测出CH1通道的电压量V3并记录下来；被测电线移至钳头铁芯的左侧位置，测量芯片/MCU测出CH2通道的电压量V4并记录下来；(4)、测量芯片/MCU作运算V3÷V4，将CH2OP2的放大倍数β2的默认值用β2*V3/V4代替并记录到EEPROM上，OP2的放大倍数将被设置为该值，从而完成平衡调较。本发明还公开了一种校准装置。本发明可定量准确、全自动地校准钳形表。

Description

一种霍尔钳形表的全自动校准方法及校准装置
技术领域
本发明涉及霍尔钳形表的检测领域，特别涉及一种霍尔钳形表的全自动校准方法及实施该霍尔钳形表的全自动校准方法的校准装置。
背景技术
对于目前的霍尔钳形表，现有的技术主要采用机械电位器来实现零点、平衡、及精度的调整校准。也有部分采用单片机作部分精度校准，但都未能全自动校准，特别是平衡度的调整仍然依赖机械电位器和人工调整。更未能在批量生产过程中实现全自动校准。
采用机械电位器的人工校准有以下明显的缺点：1、电位器本身会存在不稳定性。2、人工调校，不能定量校准存在人为的误差。3、不能自动化，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提供一种霍尔钳形表的全自动校准方法。
本发明的目的还在于，提供一种实施前述霍尔钳形表的全自动校准方法的校准装置。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：
一种霍尔钳形表的全自动校准方法，其包括以下步骤：
(1)、设置PC上位机、标准源、校准夹具和机械手，该标准源与校准夹具电连接，该校准夹具、机械手与PC上位机电连接；
(2)、PC上位机输出命令，控制机械手抓取被校准霍尔钳形表放置到校准测试架上，校准夹具的被测电线穿过该被校准霍尔钳形表的钳头铁芯，机械手将被校准霍尔钳形表转盘开关打到相应的档位上，被校准霍尔钳形表进入校准模式；
(3)、被测电线移至钳头铁芯的右侧位置，测量芯片/MCU测出CH1通道的电压量V3并记录下来；被测电线移至钳头铁芯的左侧位置，测量芯片/MCU测出CH2通道的电压量V4并记录下来；
(4)、测量芯片/MCU作运算V3÷V4，将CH2OP2的放大倍数β2的默认值用β2*V3/V4代替并记录到EEPROM上，OP2的放大倍数将被设置为该值，从而完成平衡调较。
零点校准，当被校准霍尔钳形表的钳头铁芯无感应输入时，测量芯片/MCU测出此时的读数并记录到EEPROM上，后继将作运算减去此数值再在被校准霍尔钳形表的LCD上显示出来。
钳头感应输入电流A的精度校准过程与表笔输入的精度校准过程一致，只是表笔输入改为钳头感应输入并且电流感应位置移至钳头铁芯的中间位置。
所述被校准霍尔钳形表的钳头铁芯左端、右端分别设有霍尔元件B、霍尔元件A，所述步骤(3)中，每个霍尔元件感应到信号后单独放大，至少一个霍尔元件处使用程控放大器，该被校准霍尔钳形表的控制系统调整放大器的放大倍数以达到该两处霍尔元件的信号平衡，该两路信号再作相减处理。
当该霍尔元件A、霍尔元件B感应的是外电磁场时，由于磁力线是同向的，所以两霍尔元件感应到的电压是同极性的，设霍尔元件A的感应电压是V1，霍尔元件B的感应电压是V2，放大后的电压分别对应V3和V4，调整平衡后|V3|＝|V4|，这两个信号再经下一级相减处理，所以钳头输出Vout＝V3-V4＝0，抵消了外电磁场。
钳头卡钳电流测量时，电流产生的磁场是环绕的，所以磁力线穿过两霍尔元件时是一正一反的，即设霍尔元件A感应的电压为V1，则霍尔元件B感应电压为-V2，V3＝β1*V1，V4＝-β2*V2，Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，调整平衡后对于同一磁场强度的磁场时，|β1*V1|＝|β2*V2|，被测电线中通过的被测电流在钳头内移动时，两霍尔元件感应到的电压会一加一减，调整平衡后即△(β1*V1)＝-△(β2*V2)，由于Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，所以输出Vout保持不变，也就说被测电流在钳头内移动不会影响到总的感应输出电压。
所述PC上位机按以下步骤工作：
(1)系统启动，检测标准源、机械手装置是否到位，如果到位，进入下一步骤；
(2)控制机械手装置将被校准霍尔钳形表抓放到校准测试架上；
(3)输出指令控制机械手装置将被校准霍尔钳形表上的转盘开关打到相应的档位上；
(4)检测被校准霍尔钳形表是否到位，如果到位，进入下一步骤；
(5)被校准霍尔钳形表进入校准模式；PC上位机控制标准源输出相应的标准量；
(6)被校准霍尔钳形表的测量芯片/MCU作校准运算，并把校准数据记录到EEPROM上；
(7)PC上位机读取校准数据，判断是否校准成功；
(8)校准成功，则机械手装置将被校准霍尔钳形表放置良品区域，进行一下台霍尔钳形表的校准，校准不成功，则机械手装置将被校准霍尔钳形表放置NG区域。
所述被校准霍尔钳形表按以下步骤工作：
(1)被校准霍尔钳形表系统启动，判断是否处于校准模式，进行自检；
(2)判断是否有上位机校准标志，如有，则进行如到相应的校准档位，
(3)作校准运算，并把校准数据记录到EEPROM上；
(4)输出校准标志给PC上位机。
一种实施前述霍尔钳形表的全自动校准方法的校准装置，其包括PC上位机、校准夹具、校准测试架，标准源和机械手装置，所述机械手装置、标准源分别与该PC上位机电连接，该标准源与所述校准夹具电连接，所述校准夹具上设有用于通过被测电流的被测电线，该校准测试架对应该校准夹具设置，被校准霍尔钳形表放置于该校准测试架上。
所述被校准霍尔钳形表中设有偏置电流源/电压源、霍尔元件A、霍尔元件B、放大器OP1、放大器OP2、差分放大器、测量芯片/MCU、EEPROM和LCD显示器，该偏置电流源/电压源与霍尔元件A、霍尔元件B串联，该霍尔元件A与放大器OP1连接，该霍尔元件B与放大器OP2连接，该放大器OP1通过CH1连接到测量芯片/MCU，该放大器OP2通过CH2连接到测量芯片/MCU，该放大器OP1、放大器OP2还与差分放大器连接，该差分放大器与被校准霍尔钳形表的转盘开关连接，该转盘开关、所述EEPROM、LCD显示器分别与测量芯片/MCU连接。
本发明的有益效果为：本发明结构简单合理，设计巧妙，取消所有机械电位器，引入PC上位机和机械手装置。可定量准确、全自动地校准钳形表。本发明可应用于所有高精度、自动化生产需求的钳形表，校准质量稳定可靠，能够极大地提高生产效率。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明在被测电线移至钳头铁芯的右侧位置时的结构示意图；
图2是本发明在被测电线移至钳头铁芯的左侧位置时的结构示意图；
图3是本发明在被测电线移至钳头铁芯的中间位置时的结构示意图；
图4是本发明中被校准霍尔钳形表的内部电路图。
具体实施方式
实施例：如图1至图4所示，本发明一种霍尔钳形表的全自动校准方法，其包括以下步骤：
(1)、设置PC上位机、标准源、校准夹具和机械手，该标准源与校准夹具电连接，该校准夹具、机械手与PC上位机电连接；
(2)、PC上位机输出命令，控制机械手抓取被校准霍尔钳形表放置到校准测试架上，校准夹具的被测电线穿过该被校准霍尔钳形表的钳头铁芯，机械手将被校准霍尔钳形表转盘开关打到相应的档位上，被校准霍尔钳形表进入校准模式；
(3)、被测电线移至钳头铁芯的右侧位置，测量芯片/MCU测出CH1通道的电压量V3并记录下来；被测电线移至钳头铁芯的左侧位置，测量芯片/MCU测出CH2通道的电压量V4并记录下来；
(4)、测量芯片/MCU作运算V3÷V4，将CH2OP2的放大倍数β2的默认值用β2*V3/V4代替并记录到EEPROM上，OP2的放大倍数将被设置为该值，从而完成平衡调较。
零点校准，当被校准霍尔钳形表的钳头铁芯无感应输入时，测量芯片/MCU测出此时的读数并记录到EEPROM上，后继将作运算减去此数值再在被校准霍尔钳形表的LCD上显示出来。
钳头感应输入电流A的精度校准过程与表笔输入的精度校准过程一致，只是表笔输入改为钳头感应输入并且电流感应位置移至钳头铁芯的中间位置。
所述被校准霍尔钳形表的钳头铁芯左端、右端分别设有霍尔元件B、霍尔元件A，所述步骤(3)中，每个霍尔元件感应到信号后单独放大，至少一个霍尔元件处使用程控放大器，该被校准霍尔钳形表的控制系统调整放大器的放大倍数以达到该两处霍尔元件的信号平衡，该两路信号再作相减处理。
当该霍尔元件A、霍尔元件B感应的是外电磁场时，由于磁力线是同向的，所以两霍尔元件感应到的电压是同极性的，设霍尔元件A的感应电压是V1，霍尔元件B的感应电压是V2，放大后的电压分别对应V3和V4，调整平衡后|V3|＝|V4|，这两个信号再经下一级相减处理，所以钳头输出Vout＝V3-V4＝0，抵消了外电磁场。
钳头卡钳电流测量时，电流产生的磁场是环绕的，所以磁力线穿过两霍尔元件时是一正一反的，即设霍尔元件A感应的电压为V1，则霍尔元件B感应电压为-V2，V3＝β1*V1，V4＝-β2*V2，Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，调整平衡后对于同一磁场强度的磁场时，|β1*V1|＝|β2*V2|，被测电线中通过的被测电流在钳头内移动时，两霍尔元件感应到的电压会一加一减，调整平衡后即△(β1*V1)＝-△(β2*V2)，由于Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，所以输出Vout保持不变，也就说被测电流在钳头内移动不会影响到总的感应输出电压。
所述PC上位机按以下步骤工作：
(1)系统启动，检测标准源、机械手装置是否到位，如果到位，进入下一步骤；
(2)控制机械手装置将被校准霍尔钳形表抓放到校准测试架上；
(3)输出指令控制机械手装置将被校准霍尔钳形表上的转盘开关打到相应的档位上；
(4)检测被校准霍尔钳形表是否到位，如果到位，进入下一步骤；
(5)被校准霍尔钳形表进入校准模式；PC上位机控制标准源输出相应的标准量；
(6)被校准霍尔钳形表的测量芯片/MCU作校准运算，并把校准数据记录到EEPROM上；
(7)PC上位机读取校准数据，判断是否校准成功；
(8)校准成功，则机械手装置将被校准霍尔钳形表放置良品区域，进行一下台霍尔钳形表的校准，校准不成功，则机械手装置将被校准霍尔钳形表放置NG区域。
所述被校准霍尔钳形表按以下步骤工作：
(1)被校准霍尔钳形表系统启动，判断是否处于校准模式，进行自检；
(2)判断是否有上位机校准标志，如有，则进行如到相应的校准档位，
(3)作校准运算，并把校准数据记录到EEPROM上；
(4)输出校准标志给PC上位机。
一种实施前述霍尔钳形表的全自动校准方法的校准装置，其包括PC上位机、校准夹具、校准测试架，标准源和机械手装置，所述机械手装置、标准源分别与该PC上位机电连接，该标准源与所述校准夹具电连接，所述校准夹具上设有用于通过被测电流的被测电线，该校准测试架对应该校准夹具设置，被校准霍尔钳形表放置于该校准测试架上。
所述被校准霍尔钳形表中设有偏置电流源/电压源、霍尔元件A、霍尔元件B、放大器OP1、放大器OP2、差分放大器、测量芯片/MCU、EEPROM和LCD显示器，该偏置电流源/电压源与霍尔元件A、霍尔元件B串联，该霍尔元件A与放大器OP1连接，该霍尔元件B与放大器OP2连接，该放大器OP1通过CH1连接到测量芯片/MCU，该放大器OP2通过CH2连接到测量芯片/MCU，该放大器OP1、放大器OP2还与差分放大器连接，该差分放大器与被校准霍尔钳形表的转盘开关连接，该转盘开关、所述EEPROM、LCD显示器分别与测量芯片/MCU连接。
对于钳形表要校准的点有：
Ⅰ.表笔输入的各功能校准：
PC上位机输出命令控制机械手装置抓取被校准霍尔钳形表放到校准测试架合适的位置，并拨动转盘开关到相应的档位上。PC上位机输出命令控制标准源输出相应的标准量，被校准霍尔钳形表内部测量芯片/MCU测量读数并作运算算出相应校准参数，更改EEPROM上的相应的运算默认参数值使得LCD显示正确的读数。
Ⅱ.钳头感应输入部分(电流A)，即钳头铁芯中的感应电流，这部分需要作平衡校准、校零、校精度。
平衡校准原理：本发明的重点是平衡校准，由于地球磁、外界分布电磁场的存在；钳头铁芯无法完美闭合导致有漏磁，并且两个铁芯缺口的漏磁不一样，以致电流在钳头的不同位置感应到的电压数据不一致，为了解决这些问题，使用两颗霍尔元件感测电磁场，设法使两颗霍尔元件对于地球等外界电磁场作相减而对处于钳头中电流所产生的电磁场作相加，这样可以很好地改善这些问题，但由于霍尔灵敏度的不一致性，钳头两开口处的漏磁也不一致，所以需要引入平衡调整以抵消这些影响。传统的方法是两个霍尔元件感应到的信号作并联并且中间插入电位器，调整电位器致平衡状态再作放大处理。如图1所示，本发明采用全新的电路，每个霍尔元件感应到信号后单独放大，至少一个使用程控放大器，被校准霍尔钳形表的控制系统调整程控放大器的放大倍数以达到两路霍尔元件的信号平衡，这两路信号再作相减处理。当感应的是外电磁场时由于磁力线是同向的，所以两霍尔元件感应到的电压是同极性的，设霍尔元件A的感应电压是V1，霍尔元件B的感应电压是V2，放大后的电压分别对应V3和V4，调整平衡后|V3|＝|V4|，这两个信号再经下一级相减处理，所以钳头输出Vout＝V3-V4＝0，抵消了外电磁场；钳头卡钳电流测量时，电流产生的磁场是环绕的，所以磁力线穿过两霍尔元件是一正一反的，即设霍尔元件A感应的电压为V1，则霍尔元件B感应电压为-V2(均对地作参考，两电压的极性相反)，V3＝β1*V1，V4＝-β2*V2，Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，调整平衡后对于同一磁场强度的磁场时，|β1*V1|＝|β2*V2|，被测电流在钳头内移动时，两霍尔元件感应到的电压会一加一减，调整平衡后即△(β1*V1)＝-△(β2*V2)，由于Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，所以输出Vout保持不变，也就说被测电流在钳头内移动不会影响到总的感应输出电压。
平衡调校的过程：如图1所示，被测电流移到钳头铁芯的感应位置1，即钳头铁芯的右侧位置时，测量芯片/MCU测出CH1通道的电压量V3并记录下来，被测电流移到钳头铁芯的感应位置2，即钳头铁芯的左侧位置时，如图2所示，测量芯片/MCU测出CH2通道的电压量V4并记录下来，测量芯片/MCU作运算V3÷V4，将CH2独立放大器OP2的放大倍数β2的默认值用β2*V3/V4代替并记录到EEPROM上，独立放大器OP2的放大倍数将被设置为此值。整个过程，标准源输出、被校准霍尔钳形表位置、转盘开关档位均由PC上位机发出命令自动完成，平衡调校完成。
零点校准，钳形表钳头无感应输入时，测量芯片/MCU测出此时的读数并记录到EEPROM上，后继测量将作运算减去此数值再在LCD显示器上显示出来。
钳头感应电流A精度的校准过程跟表笔输入的精度校准过一致，只是表笔输入改为钳头感应输入并且电流感应位置移钳头铁芯的中间位置，如图3所示。
本发明结构简单合理，设计巧妙，取消所有机械电位器，引入PC上位机和机械手装置。可定量准确、全自动地校准钳形表。本发明可应用于所有高精度、自动化生产需求的钳形表，校准质量稳定可靠，能够极大地提高生产效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)、设置PC上位机、标准源、校准夹具和机械手，该标准源与校准夹具电连接，该校准夹具、机械手与PC上位机电连接；
(2)、PC上位机输出命令，控制机械手抓取被校准霍尔钳形表放置到校准测试架上，校准夹具的被测电线穿过该被校准霍尔钳形表的钳头铁芯，机械手将被校准霍尔钳形表转盘开关打到相应的档位上，被校准霍尔钳形表进入校准模式；
(3)、被测电线移至钳头铁芯的右侧位置，测量芯片/MCU测出CH1通道的电压量V3并记录下来；被测电线移至钳头铁芯的左侧位置，测量芯片/MCU测出CH2通道的电压量V4并记录下来；
(4)、测量芯片/MCU作运算V3÷V4，将CH2OP2的放大倍数β2的默认值用β2*V3/V4代替并记录到EEPROM上，OP2的放大倍数将被设置为该值，从而完成平衡调较。
2.根据权利要求1所述霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，零点校准，当被校准霍尔钳形表的钳头铁芯无感应输入时，测量芯片/MCU测出此时的读数并记录到EEPROM上，后继将作运算减去此数值再在被校准霍尔钳形表的LCD上显示出来。
3.根据权利要求1所述霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，钳头感应输入电流A的精度校准过程与表笔输入的精度校准过程一致，只是表笔输入改为钳头感应输入并且电流感应位置移至钳头铁芯的中间位置。
4.根据权利要求1所述霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，所述被校准霍尔钳形表的钳头铁芯左端、右端分别设有霍尔元件B、霍尔元件A，所述步骤(3)中，每个霍尔元件感应到信号后单独放大，至少一个霍尔元件处使用程控放大器，该被校准霍尔钳形表的控制系统调整放大器的放大倍数以达到该两处霍尔元件的信号平衡，该两路信号再作相减处理。
5.根据权利要求4所述霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，当该霍尔元件A、霍尔元件B感应的是外电磁场时，由于磁力线是同向的，所以两霍尔元件感应到的电压是同极性的，设霍尔元件A的感应电压是V1，霍尔元件B的感应电压是V2，放大后的电压分别对应V3和V4，调整平衡后|V3|＝|V4|，这两个信号再经下一级相减处理，所以钳头输出Vout＝V3-V4＝0，抵消了外电磁场。
6.根据权利要求5所述霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，钳头卡钳电流测量时，电流产生的磁场是环绕的，所以磁力线穿过两霍尔元件时是一正一反的，即设霍尔元件A感应的电压为V1，则霍尔元件B感应电压为-V2，V3＝β1*V1，V4＝-β2*V2，Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，调整平衡后对于同一磁场强度的磁场时，|β1*V1|＝|β2*V2|，被测电线中通过的被测电流在钳头内移动时，两霍尔元件感应到的电压会一加一减，调整平衡后即△(β1*V1)＝-△(β2*V2)，由于Vout＝V3-V4＝β1*V1-(-β2*V2)＝β1*V1+β2*V2，所以输出Vout保持不变，也就说被测电流在钳头内移动不会影响到总的感应输出电压。
7.根据权利要求1所述霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，所述PC上位机按以下步骤工作：
(1)系统启动，检测标准源、机械手装置是否到位，如果到位，进入下一步骤；
(2)控制机械手装置将被校准霍尔钳形表抓放到校准测试架上；
(3)输出指令控制机械手装置将被校准霍尔钳形表上的转盘开关打到相应的档位上；
(4)检测被校准霍尔钳形表是否到位，如果到位，进入下一步骤；
(5)被校准霍尔钳形表进入校准模式；PC上位机控制标准源输出相应的标准量；
(6)被校准霍尔钳形表的测量芯片/MCU作校准运算，并把校准数据记录到EEPROM上；
(7)PC上位机读取校准数据，判断是否校准成功；
(8)校准成功，则机械手装置将被校准霍尔钳形表放置良品区域，进行一下台霍尔钳形表的校准，校准不成功，则机械手装置将被校准霍尔钳形表放置NG区域。
8.根据权利要求1所述霍尔钳形表的全自动校准方法，其特征在于，所述被校准霍尔钳形表按以下步骤工作：
(1)被校准霍尔钳形表系统启动，判断是否处于校准模式，进行自检；
(2)判断是否有上位机校准标志，如有，则进行如到相应的校准档位，
(3)作校准运算，并把校准数据记录到EEPROM上；
(4)输出校准标志给PC上位机。
9.一种实施权利要求1至8任一所述霍尔钳形表的全自动校准方法的校准装置，其特征在于：其包括PC上位机、校准夹具、校准测试架，标准源和机械手装置，所述机械手装置、标准源分别与该PC上位机电连接，该标准源与所述校准夹具电连接，所述校准夹具上设有用于通过被测电流的被测电线，该校准测试架对应该校准夹具设置，被校准霍尔钳形表放置于该校准测试架上。
10.根据权利要求9所述校准装置，其特征在于，所述被校准霍尔钳形表中设有偏置电流源/电压源、霍尔元件A、霍尔元件B、放大器OP1、放大器OP2、差分放大器、测量芯片/MCU、EEPROM和LCD显示器，该偏置电流源/电压源与霍尔元件A、霍尔元件B串联，该霍尔元件A与放大器OP1连接，该霍尔元件B与放大器OP2连接，该放大器OP1通过CH1连接到测量芯片/MCU，该放大器OP2通过CH2连接到测量芯片/MCU，该放大器OP1、放大器OP2还与差分放大器连接，该差分放大器与被校准霍尔钳形表的转盘开关连接，该转盘开关、所述EEPROM、LCD显示器分别与测量芯片/MCU连接。
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