用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法

       今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种用于霍尔电压传感器测量电压的校正方法。该专利由西安电子科技大学申请，并于2016年11月2日获得授权公告。

　内容说明

      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。

　　发明背景

      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为：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：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。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：首先，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Ui、输出电压测量值Um；根据上述取得的输入信号频率值f、输入电压值Ui、输出电压测量值Um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，根据上述取得的输入信号频率值f、输入电压值Ui、输出电压测量值Um和频率响应H拟合绘制出频率响应曲线；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Hi；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ai，该校正系数H100为输入信号频率f为100Hz时的频率响应值；Hi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，第三步骤中的幅频特性曲线是在MATLAB中利用多项式拟合绘制得出的。第四步骤包括：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Hi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。

      在上述发明中，其还包括另一步骤：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ai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ai；最后根据校正系数ai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ai乘以霍尔电压传感器的输出电压测量值Um。

      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。

      此外，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。