CN110687347B - 一种带温度补偿的霍尔电流传感器及其温度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大电流测量领域，涉及一种带温度补偿的霍尔电流传感器及其温度补偿方法。解决了目前霍尔电流传感器受到温度波动变化造成测量精度降低的技术问题，包括霍尔电流芯片、PCB基板温度采集单元、电平转换隔离单元、AD转换单元、主控单元及信号输出单元；霍尔电流芯片的信号输出端与电平转换隔离单元信号输入端电连接；PCB基板温度采集单元的信号输出端与主控单元电连接；电平转换隔离单元的信号输出端、AD转换单元、主控单元及信号输出单元依次实现电连接；在霍尔电流芯片采集电流过程中，利用PCB基板温度采集模块不断的监测芯片温度变换，并根据该温度值对霍尔电流芯片采集的电流进行补偿，获得的电流值精度高。
Description
技术领域
本发明属于大电流测量领域，涉及一种高精度的带有温度补偿的霍尔电流传感器及其温度补偿方法。
背景技术
电流检测技术在工业自动化领域和电气设备的监控检修都有着广泛的应用。目前常见的电流检测方法有直流互感器法和阻性分流器法。但是阻性分流器法存在着发流器的散热问题，并且测量时不能做到电气隔离，误差较大；直流互感器法测量电流时，需要互感器感应，电流越大时互感器体积越大，而且容易受到外部磁场影响，导致大电流测量精度较差。
霍尔电流传感器有优越的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足，它具有精度高、线性度好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点。目前在某型号的发动机地面测试设备中采用霍尔电流传感器采集大电流。
但是由于霍尔元件是由半导体元件制成，半导体材料的电阻率、迁移率和载流子的浓度都会随温度变化造成测量误差，所以霍尔元件受温度的影响比较大，当霍尔芯片长时间工作在大电流采集模式下，会造成PCB基板温度上升，霍尔传感器芯片温度升高，导致输出精度变差，无法做到长时间高精度采集，所以采用必要的温度补偿措施对于提高霍尔电流传感器的测量精度有着非常重要的意义。
发明内容
为了解决目前霍尔电流传感器受到温度波动变化造成测量精度降低的技术问题，本发明提供一种带温度补偿的霍尔电流传感器及其温度补偿方法。
本发明的技术解决方案是提供一种带温度补偿的霍尔电流传感器，其特殊之处在于：包括霍尔电流芯片、PCB基板温度采集单元、电平转换隔离单元、AD转换单元、主控单元及信号输出单元；
所述霍尔电流芯片的信号输出端与电平转换隔离单元信号输入端电连接；PCB基板温度采集单元的信号输出端与主控单元电连接；电平转换隔离单元的信号输出端、AD转换单元、主控单元及信号输出单元依次实现电连接；
所述霍尔电流芯片用于采集与处理外部电流；所述PCB基板温度采集单元用于对霍尔电流芯片周围的基板温度采集；所述电平转换隔离单元用于将霍尔电流芯片的输出电压进行电平转换后输出至AD转换单元；所述AD转换单元用于将采集到的电压模拟量转换为电压数字量并输入至主控单元；主控单元用于利用数学模型对采集电流值进行温度补偿修正；所述信号输出单元用于输出修正后的电流值I；
所述数学模型为：
其中IHk为霍尔传感器输出电流，Tk为PCB基板温度采集单元输出的温度值，α1、α2、α3、α4、α5、ε1为系数。
进一步地，为了使霍尔电流芯片输出的电信号进入AD转换单元，电平转换隔离单元包括RC滤波电路及差分放大电路，所述RC滤波电路对电信号进行滤波后经过差分放大电路处理，最终输出电压为U0：
其中，R1、R2、R3、R4分别为采样电阻，U2、U1为输出差分电压信号。
进一步地，为了对大电流测量过程的实时散热，所述霍尔电流芯片的引脚处敷铜厚度大于常规敷铜厚度。
进一步地，所述霍尔电流芯片的引脚处敷铜厚度为4oz。
进一步地，所述霍尔电流芯片选取ACS714系列芯片，测量范围达到50A；
所述PCB基板温度采集单元为模拟温度传感器，分辨率为0.05°；
所述AD转换单元采用高精度AD采样芯片ADS1256；
所述主控单元采用AT51系列单片机。
本发明还提供一种带温度补偿的霍尔电流传感器的温度补偿方法，包括以下步骤：
S1、主控单元进行上电初始化；
S2、霍尔电流芯片和PCB基板温度采集单元分别同时采集外部电流值和霍尔电流芯片周围的基板温度值；霍尔电流芯片输出的电压模拟值经过电平转换隔离单元进行调理后送往AD转换单元进行AD转换，将电压模拟量转换为电压数字量通过IIC总线送至主控单元；PCB基板温度采集单元采集的温度值通过IIC总线送至主控单元；
S3、主控单元判断采集到的电压数字量和温度值，是否位于数学模型的温度标定范围及电流标定范围内，若否，提示重新标定数学模型，使得当前采集到的电压数字量和温度值位于数学模型的温度标定范围及电流标定范围内；若是，将电压数字量带入当前数学模型中，计算得到经过温度补偿后的被测电流值，并将完成温度补偿的电流值经过信号输出单元输出。
进一步地，通过下述步骤获得数学模型：
步骤一、确定温度标定范围及步进温度值；将霍尔电流传感器置于可控温度的恒温箱内，将恒温箱温度范围设定在标定温度范围的某一固定值；
步骤二、确定电流标定范围值及标定点，在电流标定范围值内，依次调节标准电流源至标定点，在恒温箱外部给霍尔电流传感器输入标准电流值，用万用表测得霍尔电流传感器输出的各标定点的电压，并记录；
步骤三、按照步进温度值，调节恒温箱的温度到另一固定值，重复步骤二，直至完成所有温度值的采集；
步骤四、利用Ik记为标准源输出的标准电流，IHk记为霍尔传感器输出电流，Tk记为温度传感器测得温度值；被测电流I的数学模型为根据最小二乘法原理，被测电流均方差R应最小：均方误差R是α1～α5及ε1的函数；根据多元函数求极值条件，令α1～α5及ε1的各偏导数为0，得到六个一次方程，整理六元一次方程得到α1～α5及ε1的系数，得到了被测电流的数学模型。
进一步地，标定温度范围为0～80℃，步进温度值为10℃；电流标定范围值为0～50A，步进电流值为5A。
本发明的有益效果是：
1、本发明的霍尔电流传感器带有PCB基板温度采集模块，在霍尔电流芯片采集电流过程中，不断的监测芯片温度变换，并根据该温度值对霍尔电流芯片采集的电流进行补偿，获得的电流值精度高；
2、本发明对霍尔电流芯片的采集引脚端的板载敷铜厚度进行针对性加厚，可实现对50A大电流测量过程的实时散热；
3、通过实验得到霍尔电流芯片电流采集值与温度变化值的拟合方程，利用拟合方程实现对霍尔电流传感器的输出的精确补偿，使得长时间、大电流连续测量精度由3％提高到0.5％。
附图说明
图1是本发明霍尔电流传感器的组成框图；
图2是电平转换隔离单元电路图；
图3是标定方法流程图；
图4是本发明补偿办法流程图；
其中附图标记为：101-霍尔电流芯片，102-PCB基板温度采集单元，103-电平转换隔离单元，104-AD转换单元，105-主控单元，106-信号输出单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本实施例一种带温度补偿的霍尔电流传感器主要包括霍尔电流芯片101、PCB基板温度采集单元102、电平转换隔离单元103、AD转换单元104、主控单元105及信号输出单元106。
霍尔电流芯片101主要完成外部大电流的采集和处理，霍尔电流芯片采用磁敏效应，当大电流流过霍尔电流芯片101时，磁场在垂直于霍尔电流芯片101导体引脚处和磁感线的方向产生电势差，电势差与电流大小呈线性关系，通过测量电势差大小便可获得外部电流大小，根据使用要求，选取ACS714系列芯片，测量范围可达到50A。
PCB基板温度采集单元102完成对霍尔电流芯片101周围的基板温度采集，当霍尔电流芯片101温度升高到一定程度时，会造成霍尔电流芯片101采集精度下降，因此，PCB基板温度采集单元102完成对霍尔电流芯片101板载温度测量，为温度补偿提供依据。本实施例选用的PCB基板温度采集单元为模拟温度传感器，分辨率为0.05°。
电平转换隔离单元103将霍尔电流芯片101的输出电压进行电平转换后经过磁隔离芯片输出至AD转换单元104，AD转换单元104将采集到的模拟量转换为数字量，AD转换单元104采用高精度AD采样芯片ADS1256。PCB基板温度采集单元102将采集的温度值输入至主控单元105；主控单元105完成输入电流的采集和温度的采集，并根据标定完成的数学模型对采集电流值进行温度补偿修正，主控单元采用AT51系列单片机，信号输出单元106实现修正电流值的输出，通过RS232串口输出数据。
结合图2，电平转换隔离单元103实现将霍尔电流芯片101输出的电信号进行转换，因为霍尔电流芯片101输出的电信号为毫伏级的，而AD转换单元104采用的芯片ADS1256的模拟量输入范围是±10V，因此电信号需要经过放大器以后输入ADS1256。霍尔电流芯片101输出的电信号首先通过RC滤波电路进行滤波，再经过加减法放大电路处理后送往AD转换单元104，最终输出电压：
输出电压再经过磁耦隔离芯片ADUM1201进行磁耦隔离，滤掉干扰信号。
本发明的工作过程：结合图1-图2，一种带温度补偿的霍尔电流传感器，在采集外部大电流(50A以内)时，首先通过霍尔电流芯片101的电流采集引脚将外部大电流引入芯片，同时，霍尔电流芯片101引脚处采用了4oz的敷铜厚度，保证大电流长时间采集的芯片的散热性良好。霍尔电流芯片101将采集到的电流值对应的模拟电压值送入电平转换隔离单元103；PCB基板温度采集单元102将采集到的外部温度值送入主控单元；电平转换隔离单元103将模拟电压值经过RC滤波、放大、调理后送入AD转换单元104；经AD转换单元104内部运算后转换为数字信号，将采集到的电流值对应的数字信号通过IIC总线送往主控单元105；主控单元105根据标定完成的数学模型进行补偿计算，将补偿后的电流值通过信号输出单元106送往上位机显示。
如图3所示，本发明涉及的一种带有温度补偿的霍尔电流传感器在正式采集前，首先进行被测电流数学模型的建立。将霍尔电流传感器置于可控温度的恒温箱内，将恒温箱温度范围设定在(0～80)℃，步进温度设定为10℃，利用标准电流源在恒温箱外部给霍尔电流传感器输入标准电流值，其中，输入电流值范围(0～50)A，步进电流值5A，调节恒温箱的温度到某一固定值，然后通过标准电流源输出各点标定电流，用万用表测得霍尔电流传感器的输出电压，记录下来。利用Ik记为标准源输出的标准电流，IHk记为霍尔传感器输出电流，Tk记为温度传感器测得温度值。被测电流I的数学模型为若使I(IHk,Tk)与标称值Ik拟合最好，根据最小二乘法原理，其均方差R应最小：均方误差R是α1～α5的函数。根据多元函数求极值条件，令各偏导数为0，整理六元一次方程得到α1～α5的系数，得到了被测电流的数学模型。
如图4所示，本发明涉及的一种带有温度补偿的霍尔电流传感器具体补偿工作方法为：
霍尔电流传感器上电后，主控单元105进行上电初始化，完成对内部寄存器的初始化，霍尔电流芯片101和PCB基板温度采集单元102同时采集外部电流值和环境温度值，霍尔电流芯片101输出的电压模拟值经过电平转换隔离单元103进行调理后送往AD转换单元104进行AD转换，将模拟量转换为数字量通过IIC总线送至主控单元105，PCB基板温度采集单元102将温度数字量输出至主控单元105；主控单元105将采集到的电压数字量和温度数字量进行判断，查看本次采集值是否满足标定条件限制，其中标定条件限制即为，当前的数学模型在标定时，设定的标定温度范围及标定输入电流范围，当本次霍尔电流芯片101输出的电流值不在标定输入电流范围和/或采集的温度不在标定温度范围内时，认为本次采集值不满足标定条件，提示重新标定；即调整标定温度范围及标定输入电流范围，重复进行被测电流数学模型建立的过程，获得符合当前温度及电流的数学模型；若满足，即当本次霍尔电流芯片101输出的电流值在标定输入电流范围内，同时采集的温度在标定温度范围内，将电压数字量带入图3标定完成的数学模型中，得到了经过温度补偿后的被测电流值，并将完成温度补偿的电流值经过网口或者串口输出。这样完成了对采集温度值得实时修正，提高了霍尔电流传感器的输出精度。
Claims (7)
1.一种带温度补偿的霍尔电流传感器，其特征在于：包括霍尔电流芯片(101)、PCB基板温度采集单元(102)、电平转换隔离单元(103)、AD转换单元(104)、主控单元(105)及信号输出单元(106)；
所述霍尔电流芯片(101)的信号输出端与电平转换隔离单元(103)信号输入端电连接；PCB基板温度采集单元(102)的信号输出端与主控单元(105)电连接；电平转换隔离单元(103)的信号输出端、AD转换单元(104)、主控单元(105)及信号输出单元(106)依次实现电连接；
所述霍尔电流芯片(101)用于采集与处理外部电流；所述PCB基板温度采集单元(102)用于对霍尔电流芯片(101)周围的基板温度采集；所述电平转换隔离单元(103)用于将霍尔电流芯片(101)的输出电压进行电平转换后输出至AD转换单元(104)；所述AD转换单元(104)用于将采集到的电压模拟量转换为电压数字量并输入至主控单元(105)；主控单元(105)用于利用数学模型对采集电流值进行温度补偿修正；所述信号输出单元(106)用于输出修正后的电流值I；
所述主控单元(105)判断采集到的电压数字量和温度值，是否位于数学模型的温度标定范围及电流标定范围内，若否，提示重新标定数学模型，使得当前采集到的电压数字量和温度值位于数学模型的温度标定范围及电流标定范围内；若是，将电压数字量带入当前数学模型中，计算得到经过温度补偿后的被测电流值，并将完成温度补偿的电流值经过信号输出单元输出；
通过下述步骤获得数学模型：
步骤一、确定温度标定范围及步进温度值；将霍尔电流传感器置于可控温度的恒温箱内，将恒温箱温度范围设定在标定温度范围的某一固定值；
步骤二、确定电流标定范围值及标定点，在电流标定范围值内，依次调节标准电流源至标定点，在恒温箱外部给霍尔电流传感器输入标准电流值，用万用表测得霍尔电流传感器输出的各标定点的电压，并记录；
步骤三、按照步进温度值，调节恒温箱的温度到另一固定值，重复步骤二，直至完成所有温度值的采集；
步骤四、利用Ik记为标准源输出的标准电流，IHk记为霍尔传感器输出电流，Tk记为温度传感器测得温度值；被测电流I的数学模型为根据最小二乘法原理，被测电流均方差R应最小：均方误差R是α1～α5及ε1的函数；根据多元函数求极值条件，令α1～α5及ε1的各偏导数为0，得到六个一次方程，整理六元一次方程得到α1～α5及ε1的系数，得到了被测电流的数学模型；
电平转换隔离单元(103)包括RC滤波电路及差分放大电路，所述RC滤波电路对电信号进行滤波后经过差分放大电路处理，最终输出电压为U0：
其中，R1、R2、R3、R4分别为采样电阻，U2、U1为输出差分电压信号。
2.根据权利要求1所述的带温度补偿的霍尔电流传感器，其特征在于：所述霍尔电流芯片(101)的引脚处敷铜厚度大于常规敷铜厚度。
3.根据权利要求2所述的带温度补偿的霍尔电流传感器，其特征在于：所述霍尔电流芯片(101)的引脚处敷铜厚度为4oz。
4.根据权利要求2所述的带温度补偿的霍尔电流传感器，其特征在于：所述霍尔电流芯片(101)选取ACS714系列芯片，测量范围达到50A；
所述PCB基板温度采集单元为模拟温度传感器，分辨率为0.05°；
所述AD转换单元(104)采用高精度AD采样芯片ADS1256；
所述主控单元采用AT51系列单片机。
5.一种权利要求1所述的带温度补偿的霍尔电流传感器的温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、主控单元(105)进行上电初始化；
S2、霍尔电流芯片(101)和PCB基板温度采集单元(102)分别同时采集外部电流值和霍尔电流芯片(101)周围的基板温度值；霍尔电流芯片(101)输出的电压模拟值经过电平转换隔离单元(103)进行调理后送往AD转换单元(104)进行AD转换，将电压模拟量转换为电压数字量通过IIC总线送至主控单元(105)；PCB基板温度采集单元采集的温度值通过IIC总线送至主控单元(105)；
S3、主控单元(105)判断采集到的电压数字量和温度值，是否位于数学模型的温度标定范围及电流标定范围内，若否，提示重新标定数学模型，使得当前采集到的电压数字量和温度值位于数学模型的温度标定范围及电流标定范围内；若是，将电压数字量带入当前数学模型中，计算得到经过温度补偿后的被测电流值，并将完成温度补偿的电流值经过信号输出单元输出。
6.根据权利要求5所述的带温度补偿的霍尔电流传感器的温度补偿方法，其特征在于，通过下述步骤获得数学模型：
步骤一、确定温度标定范围及步进温度值；将霍尔电流传感器置于可控温度的恒温箱内，将恒温箱温度范围设定在标定温度范围的某一固定值；
步骤二、确定电流标定范围值及标定点，在电流标定范围值内，依次调节标准电流源至标定点，在恒温箱外部给霍尔电流传感器输入标准电流值，用万用表测得霍尔电流传感器输出的各标定点的电压，并记录；
步骤三、按照步进温度值，调节恒温箱的温度到另一固定值，重复步骤二，直至完成所有温度值的采集；
步骤四、利用Ik记为标准源输出的标准电流，IHk记为霍尔传感器输出电流，Tk记为温度传感器测得温度值；被测电流I的数学模型为根据最小二乘法原理，被测电流均方差R应最小：均方误差R是α1～α5及ε1的函数；根据多元函数求极值条件，令α1～α5及ε1的各偏导数为0，得到六个一次方程，整理六元一次方程得到α1～α5及ε1的系数，得到了被测电流的数学模型。
7.根据权利要求6所述的带温度补偿的霍尔电流传感器，其特征在于：标定温度范围为0～80℃，步进温度值为10℃；电流标定范围值为0～50A，步进电流值为5A。
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