電壓傳感器

伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴大，各種用電設(shè)備的增多，用電量越來越大，城市的供電設(shè)備經(jīng)常 超負荷運轉(zhuǎn)，用電環(huán)境變得越來越惡劣，對電源的“考驗”越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，每天，用電設(shè)備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵擾，電子設(shè)備故障的60%來自電源[7]。因此，電源問題的重要性日益凸顯出來。原先作為配角，資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源技術(shù)遂發(fā)展成為一門嶄新的技術(shù)。

而今，小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來越多的新技術(shù)。例如開關(guān)電源、硬開關(guān)、軟開關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓、線性反饋穩(wěn)壓、磁放大器技術(shù)、數(shù)控調(diào)壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實際需求直接推動電源技術(shù)不斷發(fā)展和進步，為了自動檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時具有自動保護功能和更高級的智能控制，具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護的電源技術(shù)漸成趨勢，檢測電流或電壓的傳感器便應(yīng)運而生并在中國開始受到廣大電源設(shè)計者的青睞，本文主要介紹電壓傳感器。

ABB公司的電流傳感器可以測量各種類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng)，如圖1所示。

當原邊導線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流IP會產(chǎn)生磁力線①，原邊磁力線集中在磁芯②周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電極③可產(chǎn)生和原邊磁力線①成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路④可把這個微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊電流IS⑤，并存在以下關(guān)系式：

⑴

其中，IS—副邊電流；

IP—原邊電流；

NP—原邊線圈匝數(shù)；

NS—副邊線圈匝數(shù)；

NP/NS—匝數(shù)比，一般取NP=1。

電流傳感器的輸出信號是副邊電流IS，它與輸入信號（原邊電流IP）成正比，IS一般很小，只有100~400mA。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號。

電壓變送器 > A1雙路直流電壓高精度變送器

* 將被測雙路共地直流電壓隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的雙路標準直流電壓； ?

* 低功耗、可靠性高； ?

* 優(yōu)良的抗干擾能力和高精度性（0.2%）； ?

* 電壓拔插端子接入、標準導軌（35mm）安裝； ?

* 廣泛應(yīng)用于電力操作電源合母控母電壓檢測； ?

* 體積小、外型尺寸(mm)：95(L)×37(W)×32(H)；

* 執(zhí)行標準：IEC688：1992，QB/LF2007-1

* 輸入范圍：0~500V內(nèi)可選 如0~110V，0~275V等

* 精度等級：≤0.2%.F.S

* 溫度特性：≤50PPM/℃(0~50℃)

* 整機功耗：≤0.3VA

* 工作穩(wěn)定性：年變化＜0.2%

* 隔離耐壓：輸入/輸出/外殼間 AC2.0KV/min*1mA

* 絕緣電阻：≥20MΩ(DC500V)

* 沖擊電壓：5KV(峰值)，1.2/50uS

* 響應(yīng)時間：≤30mS

* 過載能力：2倍電壓連續(xù)

* 工作環(huán)境：-10℃~50℃，20%~90%無凝露

* 貯存環(huán)境：-40℃~70℃，20%~95%無凝露

* 將被測雙路共地直流電壓隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的雙路標準直流電壓；

* 低功耗、可靠性高；

* 優(yōu)良的抗干擾能力和高精度性（0.2%）；

* 電壓拔插端子接入、標準導軌（35mm）安裝；

* 廣泛應(yīng)用于電力操作電源合母控母電壓檢測；

* 體積小、外型尺寸(mm)：95(L)×37(W)×32(H)；

* 精度等級：≤0.2%.F.S

* 溫度特性：≤50PPM/℃(0~50℃)

* 整機功耗：≤0.3VA

* 工作穩(wěn)定性：年變化＜0.2%

* 隔離耐壓：輸入/輸出/外殼間 AC2.0KV/min*1mA

* 絕緣電阻：≥20MΩ(DC500V)

* 沖擊電壓：5KV(峰值)，1.2/50uS

* 響應(yīng)時間：≤30mS

* 過載能力：2倍電壓連續(xù)

* 工作環(huán)境：-10℃~50℃，20%~90%無凝露

* 貯存環(huán)境：-40℃~70℃，20%~95%無凝露

* 注意產(chǎn)品標簽上的輔助電源信息，變送器的輔助電源等級和極性不可接錯，否則將損壞變送器； ?

* 變送器為一體化結(jié)構(gòu)，不可拆卸，同時應(yīng)避免碰撞和跌落； ?

* 變送器在有強磁干擾的環(huán)境中使用時，請注意輸入線的屏蔽，輸出信號應(yīng)盡可能短。集中安裝時，最小安裝間隔不應(yīng)小于10mm； ?

* 本系列變送器內(nèi)部未設(shè)置防雷擊電路，當變送器輸入、輸出饋線暴露于室外惡劣氣候環(huán)境之中時，應(yīng)注意采取防雷措施； ?

* 本產(chǎn)品采用阻燃ABS塑料外殼封裝，外殼極限耐受溫度為＋85℃，收到高溫烘烤時會發(fā)生變形，影響產(chǎn)品性能。產(chǎn)品請勿在熱源附近使用或保存，請勿把產(chǎn)品放進高溫箱內(nèi)烘烤； ?

* 請勿損壞或者修改產(chǎn)品的標簽、標志，請勿拆卸或改裝變送器，否則本公司將不再對該產(chǎn)品提供"三包"（包換、包退、包修）服務(wù)。

電壓傳感器（voltage transducer ）定義

能感受被測電壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器

電壓傳感器（voltage transducer ）原理

霍爾原理:霍爾電壓傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)，將原邊電壓通過外置或內(nèi)置電阻，將電流限制在10mA,此電流經(jīng)過多匝繞組之后，經(jīng)過聚磁材料將原邊電流產(chǎn)生的磁場被氣隙中的霍爾元件檢測到，并感應(yīng)出相應(yīng)電動勢，該電動勢經(jīng)過電路調(diào)整后反饋給補償線圈進而補償，該補償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流（被測電壓通過限流電阻產(chǎn)生）產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，從而在磁芯中保持磁通為零。實際上霍爾電壓傳感器利用的是和磁平衡閉環(huán)霍爾電流傳感器一樣的技術(shù)，即零磁通霍爾電流傳感器。

電壓傳感器（voltage transducer ）應(yīng)用學科

機械工程，傳感器，物理量傳感器

電壓傳感器分為直流電壓傳感器和交流電壓傳感器

電壓傳感器（voltage transducer ）歷史

在各國，傳感技術(shù)、計算機技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)相比，傳感技術(shù)的發(fā)展都落后于它們。從20世紀80年代起才開始重視傳感技術(shù)的研究開發(fā)，不少先進的成果仍停留在研究實驗階段，轉(zhuǎn)化率比較低。

XRDT深圳市信瑞達電壓傳感器在我國，60年代開始傳感技術(shù)的研究開發(fā)，經(jīng)過從"六五"到"九五"的國家攻關(guān)，在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計、制造、可靠性、應(yīng)用性等獲得進步，初步形成傳感器研究、設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系，并在數(shù)碼機床攻關(guān)中獲得了一批可喜的、矚目的發(fā)明專利與工況監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。但總體上，它還不夠滿足我國經(jīng)濟與科技的迅速發(fā)展，不少傳感器仍然依賴進口。

在國外傳感器技術(shù)分兩種路徑：一種以美國為代表的走先軍工后民用，先提高后普及。另一種是以日本為代表側(cè)重實用化、商品化，先普及后提高。前種成本高，后種成本低，更快些。而我國雖在20世紀60年代就已經(jīng)涉足傳感器制作業(yè)，但現(xiàn)活躍在國際市場依然是德，日，美，俄等老牌工業(yè)國家。在這些國家，傳感器應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)規(guī)?；?，生產(chǎn)能力能到達成千上億只。相比，我國傳感器應(yīng)用范圍窄，最大產(chǎn)值僅有幾萬只。而且，在高、精、尖傳感器和新型傳感器的市場，幾乎被外企或合資壟斷。

國外發(fā)展快有幾方面原因:

1.非常重視傳感器材料研究。2.對傳感器技術(shù)十分重視。3.重視工藝研究。4.重視質(zhì)量管理與市場研究。

IPN指電流傳感器所能測試的標準額定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號有關(guān)。

ISN指電流傳感器額定輸出電流，一般為100~400mA，某些型號可能會有所不同。

VA指電流傳感器的供電電壓，它必須在傳感器所規(guī)定的范圍內(nèi)。超過此范圍，傳感器不能正常工作或可靠性降

低，另外，傳感器的供電電壓VA又分為正極供電電壓VA+和負極供電電壓VA-。

測量范圍指電流傳感器可測量的最大電流值，測量范圍一般高于標準額定值IPN。測量范圍可用下式計算：

⑵

要注意單相供電的傳感器，其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍，所以其測量范圍要高于雙相供電的傳感器。

電流傳感器的過載能力參見圖2。發(fā)生電流過載時，在測量范圍之外，原邊電流仍會增加，而且過載電流的持續(xù)時間可能很短，而過載值有可能超過傳感器的允許值，過載電流值傳感器一般測量不出來，但不會對傳感器造成損壞。

霍爾效應(yīng)傳感器的精度取決于標準額定電流IPN。在+25℃時，傳感器測量精度受原邊電流影響的曲線如圖3所示，使用下面公式可計算出精度：

⑶

其中，K=NS/NP。

計算精度時必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。

⑴. 偏移電流ISO

偏移電流也叫殘余電流或剩余電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成的。電流傳感器在生產(chǎn)時，在25℃，IP=0時的情況下，偏移電流已調(diào)至最小，但傳感器在離開生產(chǎn)線時，都會產(chǎn)生一定大小的偏移電流。產(chǎn)品技術(shù)文檔中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。

⑵. 線性度

參見圖4，線性度決定了傳感器輸出信號（副邊電流IS）與輸入信號（原邊電流IP）在測量范圍內(nèi)成正比的程度，ABB公司的電流傳感器線性度要優(yōu)于0.1%。

⑶. 溫度漂移

偏移電流ISO是在25℃時計算出來的，當霍爾電極周邊環(huán)境溫度變化時，ISO會產(chǎn)生變化。因此，考慮偏移電流ISO的最大變化是很重要的，這可以通過下式計算：

⑷其中，CV（Catalogue value）是指電流傳感器性能表中的溫度漂移值，例如：對CS2000BR型來說，CV為0.5×10-4/℃，最大溫度Tmax為-40℃，額定輸出電流為400mA，則偏移電流的最大變化為：Ma

ABB公司的傳感器產(chǎn)品說明一般由“傳感器產(chǎn)品型號”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成[5]?！皞鞲衅鳟a(chǎn)品型號”用于標明傳感器的型號、額定測量值、標準型或非標準型?！皞鞲衅魃a(chǎn)日期”則是由8位數(shù)字構(gòu)成，表明傳感器的生產(chǎn)年份、日期（一年中的第幾日）及傳感器序列號。

ABB公司的傳感器產(chǎn)品很多，每種傳感器的外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種典型的外形結(jié)構(gòu)及安裝接線方法。

MP25P1電流傳感器是ABB公司中一種量程很小的傳感器，所能測量的額定電流為5、6、8、12、25A，原邊管腳的不同接法可確定額定測量電流為多少，參見圖5。

如MP25P1一樣，一般傳感器都有正極（+）、負極（-）、測量端（M）三個管腳，但ES300C則沒有此三個管腳，而是有紅、黑、綠三根引線，分別對應(yīng)于正極、負極及測量端。同時在ES300C型傳感器中有一內(nèi)孔，測量原邊電流時要將導線穿過該內(nèi)孔。不管是MP25P1還是ES300C型等電流傳感器，安裝時管腳的接線應(yīng)根據(jù)測量情況進行相應(yīng)連線。

⑴在測量交流電時，必須強制使用雙極性供電電源。即傳感器的正極（+）接供電電源“+VA”端，負極接電源的“-VA”端，這種接法叫雙極性供電電源。同時測量端（M）通過電阻接電源“0V”端。

⑵在測量直流電流時，可使用單極性或單相供電電源，即將正極或負極與“0V”端短接，從而形成只有一個電極相接的情況，其接法共有四種（見圖6和圖7）。

在傳感器產(chǎn)品中，標有“-N”標志的表示該傳感器沒有電源意外倒置防護措施；標有“-P”標志的則表示該傳感器具有防護措施。圖6是無保護二極管時的單極性供電電源安裝接線方法，圖7是加有保護措施的傳感器的接法。

⑶具有屏蔽作用的傳感器的連接方法

ABB公司的部分電流傳感器具有電磁屏蔽作用，其產(chǎn)品外殼上會多一個“E”標志的端口，其連接方式有兩種：將屏蔽端和負極（-VA）或零線（0V）相連，如圖8所示。

另外，安裝時必須全面考慮產(chǎn)品的用途、型號、量程范圍、安裝環(huán)境等。比如傳感器應(yīng)盡量安裝在利于散熱的場合；如果環(huán)境只適于垂直安裝，則必須選擇帶“V”字標志的傳感器（如CS300 BRV）。

除了安裝接線、即時標定校準、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過下述方法還可以提高測量精度：

1、原邊導線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；

2、原邊導線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙；

3、需要測量的電流應(yīng)接近于傳感器的標準額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個額定值很高的傳感器，而欲測量的電流值又低于額定值很多，為了提高測量精度，可以把原邊導線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當用額定值100A的傳感器去測量10A的電流時，為提高精度可將原邊導線在傳感器的內(nèi)孔中心繞九圈（一般情況，NP=1；在內(nèi)孔中繞一圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等，從而可提高精度）；

4、當欲測量的電流值為IPN/5的時，在25℃仍然可以有較高的精度。

閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，利用了原邊導線的電磁場原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場干擾。

⑴傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；

⑵外部導線與傳感器的距離、外部導線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電極的位置；

⑶安裝傳感器所使用的材料有無磁性；

⑷所使用的電流傳感器是否屏蔽；為了盡量減小外部電磁場的干擾，最好按安裝指南安裝傳感器。

電磁兼容性EMC，（Electro -Magnetic Compatibility）是研究電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作而又互不干擾，達到“兼容”狀態(tài)的一門學科[8]?？臻g電磁環(huán)境的惡化越來越容易使電子元器件之間因互不兼容而引發(fā)系統(tǒng)的誤動作，因此電工、電子設(shè)備電磁兼容性檢測極有必要。由于實際生產(chǎn)、科研及市場推廣的迫切需要，采用已通過電磁兼容性檢測的電流和電壓傳感器已形成共識，并已成為一個強制性標準。ABB公司的所有電流傳感器自1996年1月1日起，均已通過了EMC檢測。

偏移電流必須在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃的條件下進行校準，按圖9方法（雙極性供電）接線，且測量電壓VM必須滿足：

VM≦RM×ISO ⑸

在IP=IPN（AC or DC）、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙極性供電、RM為實際測量電阻的條件下進行測量，其接線如圖10所示，并用公式⑶計算精度。

ABB公司的傳感器在測量電路短路、測量電路開路、供電電源開路、原邊電流過載、電源意外倒置的條件下都可受到保護。對上述各項測試舉例如下：

此項測試必須在IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM為實際應(yīng)用中的電阻條件下進行，連接圖如圖11

所示，開關(guān)S應(yīng)在一分鐘之內(nèi)合上和打開。

此項測試條件為IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM是實際應(yīng)用中的電阻。測試圖如圖12，開關(guān)S應(yīng)

在一分鐘之內(nèi)完成閉合/打開切換動作。

為防止電源意外倒置而使傳感器損壞，在電路中專門加裝了保護二極管，此項測試可使用萬用表測試二極管兩端，測試應(yīng)在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器不供電、不連接測量電阻的條件下進行。可使用以下兩種方法測試：

第一種：萬用表紅表筆端接傳感器“M”端，萬用表黑表筆端接傳感器“+”端；

第二種：萬用表紅表筆接傳感器負極，萬用表黑表筆接傳感器M端；

在測試中，如萬用表鳴笛，說明二極管已損壞。

一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復合年增長率預(yù)計會超過25%。

目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴大。

什么是霍爾電壓傳感器

電壓傳感器有很多種，從測量原理上分可以有霍爾電壓傳感器，光電隔離電壓傳感器，電隔離電壓傳感器，電壓互感器原理(電磁感應(yīng)原理)等。霍爾電壓傳感器實際上是一種特殊的原邊多匝的霍爾閉環(huán)電流傳感器。原理圖如下: 霍爾電壓傳感器的特點國內(nèi)做霍爾電壓傳感器的廠家較多，我們以HV-C04、HV-C54為例霍爾電壓傳感器因為是基于霍爾閉環(huán)零磁通原理，所以可以測量直流電壓，交流電壓和混合波形的電壓(參看圖1原理圖)。此特點區(qū)別于電磁隔離原理的電壓互感器，電壓互感器只能測量交流電壓信號。因為是基于磁平衡霍爾原理，需要原邊匹配一個內(nèi)置或外置電阻，該電阻隨著測量的電壓量程增大，需要的阻值和功率也相應(yīng)增大，甚至需要加散熱片。因為原邊采用多匝繞組，故存在比較大的電感，一般響應(yīng)速度不高，頻率范圍有限。 霍爾電壓傳感器的分類霍爾電壓傳感器從安裝方式上可以分為:基于PCB板安裝基于螺釘固定安裝導軌型安裝 霍爾電壓傳感器的應(yīng)用IGBT等開關(guān)功率器件共同構(gòu)成了電力電子的核心。在UPS,電源，風電，鐵路，太陽能等各行各業(yè)均有廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)生產(chǎn)霍爾電壓傳感器的廠家和型號眾多，我們以HV-C04和HV-C54為例，列舉霍爾原理的電壓傳感器的基本特性，如下:

霍爾電壓傳感器因為是基于霍爾閉環(huán)零磁通原理，所以可以測量直流電壓，交流電壓和混合波形的電壓(參看圖1原理圖)。此特點區(qū)別于電磁隔離原理的電壓互感器，電壓互感器只能測量交流電壓信號。因為是基于磁平衡霍爾原理，需要原邊匹配一個內(nèi)置或外置電阻，該電阻隨著測量的電壓量程增大，需要的阻值和功率也相應(yīng)增大，甚至需要加散熱片。因為原邊采用多匝繞組，故存在比較大的電感，一般響應(yīng)速度不高，頻率范圍有限。

需要電壓測量的場合很多，因為霍爾電壓傳感器的特點是既能測量交流又能測量直流，所以應(yīng)用的場合比較多，在大功率原件得到應(yīng)用的今天，霍爾原理的電壓傳感器與霍爾電流傳感器一起同IGBT等開關(guān)功率器件共同構(gòu)成了電力電子的核心，在UPS，風電，鐵路，光伏，整流，電鍍等各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。