霍尔电流传感器生产工艺的研究

刘鹏博

中化天康科技（南京）有限公司  江苏 南京 210044

摘要：霍尔电流传感器在绝缘在线监测中具有独特的优势，在线监测电流取样比其他电流互感器或漏电流互感器具有相对较高的测量精度，且抗干扰能力显著，线性度也比较好，目前常用到直流绝缘在线监测支路和蓄电池充放电支路。霍尔电流传感器是根据霍尔效应原理制成，对安培定则加以利用。霍尔效应定义了磁场与感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体两端产生电压差。一个电流传感器的产品过程繁琐，环节众多，只有加强对其生产工艺的研究，才能确保霍尔电流传感器的生产质量。

关键词：霍尔电流传感器；生产工艺

前言：电流传感器是目前各行业中使用最广泛的传感器之一，按工作原理可分为分流器、电流互感器、霍尔电流传感器等。霍尔电流传感器则具有响应速度快、精度高、线性度高及测量范围大等优点，在多联机空调控制器中常用于检测母线电流是否存在异常。霍尔电流传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔电流传感器可分为直检式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。本文将针对霍尔电流传感器生产工艺流程展开深入研究，仅供参考。

1背景

电流传感器在空调控制器上常用于检测母线电流，监控系统主线的运行情况。多联机空调在研发过程中新开发了某厂家多个型号电流传感器，在试制、生产过程中其可靠性表现较差，过程失效均为批量发生。作为同型号电流传感器，对比之前的厂家来看，新厂家与空调整机的匹配问题更为突出。同时也发现电流传感器在使用历史中发生过多次批量质量问题，电流传感器的经常失效严重影响生产效率及后端客户满意度，亟需对电流传感器的各类故障进行全面的分析，对其失效模式进行完整总结。

2霍尔电流传感器概述

霍尔电流传感器是根据霍尔效应原理制成，对安培定则加以利用。霍尔效应定义了磁场与感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体两端产生电压差。即：在载流导体周边产生一正比于该电流的磁场，而霍尔元件就可以测量这一磁场，由此可实现电流的非接触测量。霍尔效应原理图如图1所示。霍尔电流传感器可分为直检式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。

图1霍尔效应

3工作原理

3.1开环式霍尔电流传感器测量原理

当电流穿过铁芯时会在铁芯上感应出磁场，铁芯将磁场聚集于豁口处被霍尔元器件感应到，从而感应出相应的电压，该电压被运放处理后输出，运放所输出的电压信号和原边电流满足一定的线性关系，从而将被测电流信号转化为电压信号，单片机采样该电压信号就可计算出被测电流的大小，从而实现测量电流的作用。开环式霍尔电流传感器又叫直测式。由于体积受限，许多芯片级的霍尔电流芯片都是用开环测量原理，如ACS712、ACS758等。

图2开环式霍尔电流传感器测量原理图

3.2闭环霍尔电流传感器工作原理

闭环式霍尔电流传感器，也被称为零磁通霍尔电流传感器或磁平衡式霍尔电流传感器，其是基于磁平衡式霍尔原理（即闭环原理），当周边电流产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消周边电流产生的磁通，使得磁路中的磁通始终保持为零。经过外围电路的处理，传感器的输出端能够精确输出电流的变化。使用霍尔电流传感器检测电流的成本较高，且其体积较大，当被测电流较小时，其测量精度也较差，不满足航空电子设备小型化、高精度电流采样的要求。

图3闭环霍尔电流传感器工作原理图

将霍尔元件完全至于环形铁芯空隙处，此时原边出现一电流Ip通过时，铁芯所产生的磁通∅1，也就是此时所形成磁场将贯穿霍尔元件，再由于霍尔效应在霍尔元件的电压端上产生霍尔电压UH。该霍尔电压的数值很小，此电压再经放大器放大后驱动后级的三极管，由于后级的三极管在集电极c和发射极e之间已经有正向电压，所以当放大后的霍尔电压加到基极b上时，三极管导通，从而在发射极e获得电流，将其输到磁芯补偿线圈内，以此来形成补偿电流Is,这时磁通∅2就会在线圈内产生，当磁通∅2完全补偿被测电流产生的磁通∅1时(霍尔元件起到零磁通工作下)就有∅1=∅2，即NPIP=NsIs；推导得出Is=NPIP/Ns。

通过上述可以得出,补偿线圈电流将和被测电流呈现出正比关系。电流Is通过取样电阻Rm上的电压U1反映出,即U1=IsRm=(Np/Ns)IPRm

由此可知,只要测出电压U1,就可得出被测电流IP，从而实现原边电流的隔离测量。

4霍尔电流传感器生产工艺

霍尔电流传感器发挥的作用不容小趋，是不可缺少的核心元器件，近年来一直被各大行业所青睐，如机车行业、风电行业等。霍尔电流传感器具有十分复杂、繁琐的生产流程，涉及环节较多，详情如下：

4.1加工电路板PCB贴片

通常而言，统一进行电流传感器PCB板载贴片加工，此阶段具有效率高、误差小以及精准性强等特点，更关注SMT质量，重视焊接检测、清理，及时更换锡膏。

4.2焊接PCB其余元器件

加工完贴片机后，一些贴片机无法完成的部件将由人工进行焊接，如端子、电位器等部件。焊接人员在焊接作业完成时，需要重视对其的检测，这样才能最大程度避免焊接错误、遗漏元器件等现象的发生。

4.3组装电流传感器

由于电路板位置准确焊接线圈的两根出线，同时在外壳中分别放置电路板、磁芯等。

4.4初次调试

调试人员在组装作业完成时，应展开第一次调试检验，在此期间应重点关注灌胶前的操作工艺，以此来保证产品质量达标。另外，若PCB板存在焊接错误现象，或线圈绕线圈数不符合规定，需要进行更换，同时在灌胶后也要开展测量工作。

4.5灌胶

经过初次调试达标后，可采取全自动注胶机对产品进行灌胶操作，在具体实施过程中应一次成型，避免二次灌胶操作，并将灌胶后的产品至入高温箱，等待胶液内部气泡被释放完全，方可最大程度防止气泡带来的质量问题。

4.6二次测试

对产品进行注胶后，还需要实施二次测试工作，此项工作应于高低温前完成，具体而言就是将电流从0一直打到1000A，在此期间，要每50A或者100A递增一次。

4.7高低温、老化试验

在此试验期间，电流传感器经过二次测试后，应实施各项试验，如常温老化、加电老化、高温、低温等，低温需要控制在零下40度，高温需要达到100度，并结合各行业（风电、车辆、铁路等）客户需要，进行针对性震动试验。试验时间一般需要达到12小时以上，24小时以内，从而将不合格产品筛选出来。

4.8外观美化

经过对生产各阶段展开试验后，最终合格产品会经过美化操作，工作人员主要是对外壳表面及端子上的胶质予以去除。

4.9出厂检验

在美化产品后，为了确保其质量，还应重视最后一次检验，将电流从0提升至1000A，与二次检验相同，于每50A或100A递增一次，并重视对各阶段时间图与波形图的查看。目前主要采取三人三台设备检验方式，保证产品整体性能参数在出厂时都处于最佳状态。

4.10打标

当产品符合各项出厂标准后，将由工作人员采取激光打标机对这些产品进行打标操作。

4.11包装

通过各阶段检验工作，产品质量完全符合，再进行包装工作，一般采取珍珠棉设计手段，这样做的目的是可以规避运输期间由于振动影响造成的产品破坏，同时还在产品箱内放了详细的说明书、检验报告等纸质报告。

通过对电流传感器全部生产工艺进行探讨后得知，其生产过程十分复杂、繁琐，应严格按照生产规定标准开展生产作业，重视产品质量的原则，最大程度降低产品使用中可能出现的问题，从而为客户提供更高质量的霍尔电流传感器。

结语：

综上所述，霍尔电流传感器是一种用于监测电流的传感器,它采用霍尔效应来测量通过导电体的电流。为了全面提升霍尔电流传感器生产期间的质量，故本文章将从更深层次剖析了霍尔电流传感器的生产工艺流程，在实际操作过程中，可结合客户需求实施优化改进，从而提高电流传感器的应用可靠性。

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