CN101676735B - 电流采样霍尔传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流采样霍尔传感器装置，该装置包括导磁体(1)和霍尔传感器(2)，导磁体(1)为具有开口的环状，霍尔传感器(2)位于该开口中，其中，所述霍尔传感器(2)包括多个霍尔芯片(4)，所述多个霍尔芯片(4)量程不同且彼此并联。所述电流采样霍尔传感器装置既能够保证电流采样的范围又可以提高电流采样精度。

Description

电流采样霍尔传感器装置

技术领域

本发明涉及电流采样领域，特别涉及一种电流采样霍尔传感器装置。

背景技术

霍尔效应在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用，如测量技术、电子技术、自动化技术等。近年来，在对探测电流进行采样时，也多采用利用霍尔效应原理的霍尔传感器装置来进行测量。现有的用于电流采样的霍尔传感器装置包括具有通孔的导磁体和内置于该导磁体中的一个霍尔传感器。探测电流通过动力线穿过导磁体的通孔，会在导磁体内产生磁场，磁场加在导磁体中的霍尔传感器上，对霍尔传感器的输入端通以电流，便会在输出端产生霍尔电流，可以通过对霍尔电流的测量来间接的测量探测电流。

目前的霍尔传感器装置存在对小电流采样时采样精度不高、采样精度提高采样范围又过小的矛盾，在一定程度上阻碍了霍尔传感器更大范围的应用。另外，为了避免产生的霍尔电流值小于零，现有的霍尔传感器装置大部分是双电源供电，这种结构不但使测量装置复杂化，同时还会增加霍尔传感器的成本。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的对小电流采样时采样精度不高、采样精度提高采样范围又过小的矛盾，提供一种采样精度高、采样范围大的电流采样霍尔传感器装置。

本发明的发明人发现，目前的霍尔传感器装置仅包括一个单一量程的霍尔传感器，所以才导致了采用大量程的霍尔传感器对小电流采样时，采样精度不高，采用小量程的霍尔传感器采样时又会有采样范围过小的问题，因此，本发明的发明人提出一种采用多量程方式的电流采样霍尔传感器装置。

本发明提供一种电流采样霍尔传感器装置，该装置包括导磁体和霍尔传感器，导磁体为具有开口的环状，霍尔传感器位于该开口中，其中，所述霍尔传感器包括多个霍尔芯片，所述多个霍尔芯片量程不同且彼此并联。

本发明采用了量程不同的多个霍尔芯片，这样当检测电流较小时可以使用较小量程的霍尔芯片测出的电流值，而当检测电流较大时可以使用较大量程的霍尔芯片测出的电流值，这样测量出的电流精度较现有技术中采用单一量程的精度更高，在同样的测量范围的情况下提高采样电流的测量精度。另外在较小量程霍尔芯片的量程范围内，可以对多个芯片测量的结果进行比对，用来查找故障，提高可靠性。

附图说明

图1是导磁体与霍尔传感器组成的导磁通路示意图，，本发明提供的电流采样霍尔传感器装置的结构示意图；

图2是霍尔传感器示意图本发明提供的霍尔传感器中多个霍尔芯片的电路连接图；

图3是根据本发明使用霍尔传感器装置进行测试的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供的电流采样霍尔传感器装置，如图1所示，该装置包括导磁体1和霍尔传感器2，导磁体1为具有开口的环状，霍尔传感器2位于该开口中，其中，所述霍尔传感器2包括多个霍尔芯片4(见图2)，所述多个霍尔芯片4量程不同且彼此并联。

该装置还可以包括印刷电路(PCB)板(未图示)，该印刷电路板置于所述导磁体1的开口中，该印刷电路板用于连接多个霍尔芯片4，印刷电路板有多个引线端子，分别为电源接线端Vcc、接地端GND、多个输出端OUT1、OUT2...OUTn。所述多个霍尔芯片4均匀排布在该印刷电路板上，且多个霍尔芯片4的输出端分别连接到所述印刷电路板的多个输出端，多个霍尔芯片4的输入端和接地端分别连接到所述印刷电路板的电源接线端和接地端，多个霍尔芯片4与印刷电路板上的各个引线端子的连接关系如图2所示。

多个霍尔芯片4的量程可以根据待测电流的特点(如电流范围)进行设置，例如多个量程从小到大按照等比或等差的方式设置，但一般情况下，最小量程与最大量程的比例大于1.5，且优选为在1：1.5到1：7之间，对这个比例进行限制不会使各个量程的范围过于接近，从而能够体现出本发明的优势。以两个霍尔芯片为例，两个霍尔芯片的量程比可以为1：2至1：5之间，如其中一个霍尔芯片的量程为400A，另一霍尔芯片的量程可以为800A。

根据本发明的一个优选实施方式，所述霍尔传感器2由两个霍尔芯片组成。两片霍尔芯片均匀排布在PCB板上，采用并联的方式连接。从PCB板上引出4个引线端子，分别是：GND，Vcc(+5V)，OUT1，OUT2。其中GND是公共端，+5V端与GND之间的电压为+5V，OUT1为第一霍尔芯片的输出端，OUT2为第二霍尔芯片的输出端。

两块霍尔芯片的量程不同，其中第一霍尔芯片的有效值是400A，量程也是400A；第二霍尔芯片的有效值是850A，量程是800A。这样如果动力线中的电流小于400A就使用第一霍尔芯片读取的采样电流值，电流在400A～800A之间时就使用第二霍尔芯片读取的采样电流值。这样既可以保证电流采样霍尔传感器2的测量范围为800A，又能够在小电流(<400A)情况下提高采样精度。

另外，在待测电流小于400A的情况下，利用两块霍尔芯片的测量结果来互相监督比较，确认对方是否输出正确，此过程通过软件来判断，有利于分析传感器的可能失效原因，提高霍尔传感器的可靠性。

在通过的测试电流反向时，若给霍尔芯片4的输入端上所加的电压方向不变，那么在霍尔芯片4的输出端会产生反向的霍尔电压，一般情况下，这会使霍尔电流的测量回路中产生反向的电流，从而给测量设备带来损害。现有技术中多采用双电源供电来解决这个问题。这两个电源为相同型号的电源，但电压方向相反的加在霍尔芯片4的输入端上，当探测电流正向通过时，使用第一电源，在霍尔电流测量回路中产生正向霍尔电流，当探测电流反向时，使用电压与第一电源所加电压方向相反的第二电源，在霍尔电流测量回路中仍会产生正向霍尔电流。但使用双电源的霍尔传感器会使测量装置复杂化，同时成本也较高。

本发明中，所述霍尔传感器装置还包括单电源，并且使用的多个霍尔芯片4优选采用输出电压始终为0V以上的霍尔芯片，如型号为S93A的霍尔芯片。这是因为使用这种霍尔芯片可以不必使用双电源来使得霍尔电流反向，而可以仅采用所述单电源对多个霍尔芯片4供电，就能正常工作。本发明采用的霍尔芯片4在无采样电流通过时(也就是没有霍尔电压产生时)输出端电压不为零，在正向采样电流通过时，产生的霍尔电压的方向与已有输出电压的方向一致，但霍尔电压最大值不会超过已有的输出电压，这样便避免了输出电压的反向，使单电源供电成为了很好的选择。单电源供电简化了测量装置，同时减小了体积，缩减了成本。

在本发明的优选实施方式中，在PCB板的GND和+5V两个端子之间加上5V电压。当动力线中没有电流通过的时候，由导磁体1和霍尔传感器2组成的导磁通路中没有磁场产生，输出端OUT1和输出端OUT2也没有霍尔电压输出，在现有技术中，输出端的电压一般为零。而本实施方式中，由于采用了输出电压始终为0V以上的霍尔芯片4，这样在无电流通过时，输出采用了输出电压始终为0V以上的霍尔芯片4，这样在无电流通过时，输出端OUT1和输出端OUT2均为2.5V。若在动力线中通过与正向电流方向一致的电流，则会产生正向霍尔电压，输出端电压为2.5V～4.8V。这种情况下，若在动力线中通过反向电流，输出端电压在0V～2.5V，也能够保持为正值。

本发明中，所述导磁体1的形状为具有开口的环形，这样构成开环结构，其中开口的大小以能放入霍尔传感器2为限。开口的位置任意，但考虑到要尽可能方便对霍尔传感器2进行操作，开口位置优选为导磁体中曲率较小的位置，例如图1霍尔传感器2所在的位置。两个霍尔芯片焊接在同一平面的PCB上，通孔切割的尺寸与精度有很大关系，必须与选择霍尔芯片量程匹配起来确定，本发明中切割的尺寸优选为5mm。

所述导磁体1一般为铁磁性材料制成的，优选为多片叠压的硅钢片，导磁性能更好，硅钢片的数量可以为30-40片，厚度为0.2mm-0.25mm。所述硅钢片优选为晶粒取向一致的硅钢片，从而单位横切面积磁场强度高，中、弱磁场铁损小，不易发热，可靠性高。所述导磁体1由所述硅钢片通过冲压、铆接而成。

本发明提供的电流采样霍尔传感器装置还可以包括封装套，该封装套将导磁体1和霍尔传感器2整体密闭封装，并封装套上标注有正向标志，如图3箭头所示，以便于使用时按此标志在动力线中通入正向电流。所述封装套可以由耐180摄氏度高温的高分子聚合物通过压缩成型得到。

测量时，使用者可以从多个量程输出的霍尔电流测量值中选择未超量程的霍尔电流测量值，并使用其中量程最小的测量值作为输出结果。之所以选择量程最小的测量值，是因为在所有正确的测量值中，量程最小的测量值精度最高。上述过程可以是人工完成的，也可以是机器自动完成的，或者也可以通过其它可实施的手段来实现。

根据本发明的一个优选实施方式，该装置还可包括A/D转换器，该A/D转换器包括多个输入端和一个输出端，所述多个输入端分别与多个霍尔芯片4的多个输出端连接，该A/D转换器用于从接收到的多个霍尔电流测量值确定至少一个未满量程的霍尔电流测量值，并从至少一个未满量程的霍尔电流测量值中选择量程最小的一个霍尔电流测量值，并对所选择的霍尔电流测量值进行A/D转换，并输出A/D转换后的数字信号。

如图3，本发明采用开环电流检测的方式进行电流采样。要测试的动力线3穿过导磁体1的通孔，动力线3中通过与封装套上标注的正向标志方向一致的待测电流，便可通过霍尔传感器2进行测量。

本发明通过具有良好导磁性能的导磁体1，聚集探测电流产生的磁场，该磁场加在由多个不同量程的霍尔芯片4组成的霍尔传感器2上，产生霍尔电流，通过量程的选择，能在保证测量范围和测量精度的条件下，实现对探测电流的间接测量。

Claims (7)

1.一种电流采样霍尔传感器装置，该装置包括导磁体(1)、霍尔传感器(2)和A/D转换器，其中，

所述导磁体(1)为具有开口的环状，

所述霍尔传感器(2)位于该开口中，该霍尔传感器(2)包括多个霍尔芯片(4)，所述多个霍尔芯片(4)量程不同且彼此并联，并且

所述A/D转换器包括多个输入端和一个输出端，所述多个输入端分别与多个霍尔芯片(4)的多个输出端连接，该A/D转换器用于从接收到的多个霍尔电流测量值确定至少一个未满量程的霍尔电流测量值，并从至少一个未满量程的霍尔电流测量值中选择量程最小的一个霍尔电流测量值，并对所选择的霍尔电流测量值进行A/D转换，并输出A/D转换后的数字信号。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中，该霍尔传感器装置还包括单电源，所述多个霍尔芯片(4)为输出电压始终为0V以上的霍尔芯片，所述单电源对多个霍尔芯片(4)供电。

3.根据权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中，该霍尔传感器(2)还包括印刷电路板，该印刷电路板置于所述导磁体(1)的开口中，该印刷电路板有多个引线端子，分别为电源接线端、接地端、多个输出端，所述多个霍尔芯片(4)均匀排布在该印刷电路板上，且多个霍尔芯片(4)的输出端分别连接到所述印刷电路板的多个输出端，多个霍尔芯片(4)的输入端和接地端分别连接到所述印刷电路板的电源接线端和接地端。

4.根据权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中，所述多个霍尔芯片(4)中最大量程与最小量程的比例大于1.5。

5.根据权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中，所述导磁体(1)为多片叠压的硅钢片。

6.根据权利要求5所述的霍尔传感器装置，其中，所述硅钢片为晶粒取向一致的硅钢片。

7.根据权利要求6所述的霍尔传感器装置，其中，该装置还包括封装套，该封装套将导磁体(1)和霍尔传感器(2)整体密闭封装，并且封装套上标注有正向标志。

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