CN102472777A - 用于测量电特性的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于测量电特性的传感器。该传感器包括印刷电路板、电压传感器以及电流传感器，其中，印刷电路板限定插入输电线路的圆形通孔；电压传感器包括环形电极和第一端子部，以测量在输电线路中形成的电压，电极抵靠通孔的内边缘固定，以测量在输电线路中形成的电压，并且第一端子部具有与电极的一侧接触的一端和穿过印刷电路板的一侧暴露出的另一端；电流传感器包括拾波线圈和第二端子部，以测量输电线路中的电流，拾波线圈像弹簧一样卷绕并且沿着通孔的外边缘弯曲，从而形成从上方观看时的环形，并且拾波线圈布置成其至少一部分嵌入印刷电路板内，第二端子部从拾波线圈的两端起延伸并穿过印刷电路板的一侧暴露出。

Description

用于测量电特性的传感器
技术领域
本发明涉及传感器，更具体地，本发明涉及能够测量电特性(例如电流和电压)的传感器。
背景技术
交流电(AC)已在各个工业领域中用作电源和信号传输手段。由于传输线腐蚀概率低以及容易进行电压变换，交流电已经广泛用作将由发电机产生的功率传输给负载的方法以及用作通信设备和医疗设备的信号或电源供给手段。此外，交流电已经广泛用作在半导体制造设备(例如等离子体蚀刻室)内部产生等离子体的电源供给手段。
由于一些电子设备的工作特性对由电源提供的交流电的电特性十分敏感，所以必须精密控制电源的电特性。而且，需要使用传感器来精确测量为精密控制提供的电源的电特性。
例如，在等离子体蚀刻室的情况下，在电源和消耗由该电源提供的功率的负载之间布置阻抗匹配系统来使功率转移效率最大。由于阻抗匹配是根据由该电源向该负载提供的功率的测量结果进行的，因此在将该电源和该负载互相连接起来的传输线附近布置用于测量各种电特性的传感器。
一般来说，传感器包括电感器(即，线圈)，以测量沿传输线流动的电流。由于沿上述传输线流动的交流电产生感应给上述电感器的感生电动势，所以上述传输线中的电流可以通过测量感应给上述电感器的感生电动势来确定。一般的电感器包括缠绕环形结构的导线。然而，传统电感器中使用的电感器元件通过下面的方法来制造：借助人的手或机器使导线缠绕环形结构。当通过这种缠绕方法制造电感器时，难以使绕组线之间的间隔均匀。因此，难以使传感器自身具有所需的高精度，并且产品质量可能互不相同。如上文所述，需要进行精密的测量以精确控制提供的功率(即，使阻抗精确匹配)。因此，需要能够提供较高精确度的传感器系统。
发明内容
本发明的实施例提供了一种传感器，从而能够使各产品质量一致并能更准确地测量电特性。
在本发明的一个方面中，所述传感器可以包括印刷电路板、电压传感器以及电流传感器，其中，所述印刷电路板限定有插入输电线路的圆形通孔；所述电压传感器包括环形电极和第一端子部，以测量所述输电线路中形成的电压，所述电极抵靠所述通孔的内边缘固定，以测量所述输电线路中形成的电压，并且所述第一端子部具有与所述电极的一侧接触的一端和穿过所述印刷电路板的一侧暴露出的另一端；所述电流传感器包括拾波线圈和第二端子部，以测量所述输电线路中的电流，所述拾波线圈像弹簧一样卷绕并且沿着所述通孔的外边缘弯曲，从而形成从上方观看时的环形，并且所述拾波线圈布置成其至少一部分嵌入所述印刷电路板内，所述第二端子部从所述拾波线圈的两端起延伸并且穿过所述印刷电路板的一侧暴露出。
在本发明的另一个方面中，所述传感器可以包括印刷电路板、电压传感器以及电流传感器，其中，所述印刷电路板限定有插槽，所述插槽的一端敞口，以允许将输电线路插入其中；所述电压传感器包括具有圆弧形状的电极和第一端子部，以测量所述输电线路中形成的电压，所述电极抵靠所述插槽的一部分内边缘固定，并且所述第一端子部具有与所述电极的一侧接触的一端和通过所述印刷电路板的一侧暴露出的另一端；所述电流传感器包括拾波线圈和第二端子部，以测量所述输电线路中的电流，所述拾波线圈像弹簧一样卷绕并且沿着所述插槽内边缘的外部弯曲，从而形成从上方观看时的圆弧形，并且所述拾波线圈布置成其至少一部分嵌入所述印刷电路板内，所述第二端子部从所述拾波线圈的两端起延伸并且穿过所述印刷电路板的一侧暴露出。
根据示例性实施例，所述印刷电路板可以进一步包括法拉第屏蔽器，所述法拉第屏蔽器布置在所述拾波线圈和所述插槽之间，以防止由所述输电线路形成的电压转移给所述拾波线圈。
根据示例性实施例，所述印刷电路板可以进一步包括屏蔽罩，所述屏蔽罩布置在所述法拉第屏蔽器和所述输电线路之间并且接地，以使所述法拉第屏蔽器接地。
根据示例性实施例，在所述法拉第屏蔽器中，在与所述输电线路中的电流方向垂直的方向可以进一步形成裂缝。
根据示例性实施例，可以将所述拾波线圈布置成使所述环形或所述圆弧形的纵剖面形成四边形。
根据示例性实施例，可以下面的方式缠绕所述拾波线圈：在反复地暴露于所述印刷电路板的下侧并嵌入所述印刷电路板内以前，所述拾波线圈反复地暴露于所述印刷电路板的上侧并嵌入所述印刷电路板内。
附图说明
通过对照附图和下面的具体说明，本发明将变得更清楚。本文描述的实施例以示例而非限制方式提供，其中相同的附图标记表示相同或类似的要素。附图不是按比例绘制的，相反，将重点放在对本发明各个方面的说明上。
图1是根据本发明一个实施例的用于测量电特性的传感器的俯视图；
图2是从图1所示传感器中移除一部分印刷电路板的立体图；
图3是从图1所示传感器中移除上述印刷电路板的立体图；
图4是根据本发明另一实施例的用于测量电特性的传感器的俯视图；
图5是从图4所示传感器中移除一部分印刷电路板的放大立体图；
图6是示出了图5所示传感器进一步具有屏蔽罩的放大立体图。
具体实施方式
下面将参照附图更充分地描述本发明的示例性实施例。本说明书和所附的权利要求书中使用的术语或词语不应限制于通常的含义或词典的含义，而应当基于如下原则——发明人能够正确地限定术语的概念以便通过最佳方法来解释本发明，从而将这些术语或词语解析为与本发明的技术内涵对应的含义和概念。
因此，本说明书所述的实施例和附图所示的结构仅是本发明的优选实施例，而可能没有全面描述上述的技术内涵。于是应当理解，可以在应用本说明书时提供能够替代上述实施例的各种等价物和变型。
然而，本发明可以体现为不同的形式而不应当解释为限制于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例以使本发明的内容全面和完整，并将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。在本发明全文中，本发明各附图和各实施例中相同的附图标记表示相同的部件。附图不是按比例绘制的，在一些情况下，可能放大某些部分以便清晰说明实施例的特征。
下面将详细描述根据本发明一个实施例的用于测量电特性的传感器。图1是根据本发明一个实施例的用于测量电特性的传感器的俯视图。图2是从图1所示的传感器中移除一部分印刷电路板的立体图，而图3是从图1所示的传感器中移除上述印刷电路板的立体图。
对照图1至图3，用于测量电特性的传感器100包括印刷电路板(PCB)110、电压传感器120和电流传感器130。
上述PCB 110是在其一个表面或两个表面上形成印刷电路的板。上述PCB 110限定了能够插入输电线路的圆形通孔。一般来说，上述输电线路10包括芯导体11和电介质12。具有各种电特性的电流可以沿着上述输电线路10流动。尤其是，射频(RF)大电流可以沿着上述输电线路10流动。
将上述电压传感器120配置成测量上述输电线路10中形成的电压，并且其包括圆形电极120a和第一端子部120b。上述电压传感器120的电极120a抵靠上述PCB 110的通孔110a的内边缘固定。上述第一端子部120b的一端与上述电极120a的一侧表面接触，另一端通过上述PCB 110的一侧暴露出。商业电容器、电阻器和电感器等与上述第一端子部120b的暴露端连接，从而允许利用上述电容器、电阻器和电感器等检测电压。上述第一端子部120b可以嵌入上述PCB 110内或者暴露于上述PCB 110的上表面或下表面。
上述电流传感器130包括拾波线圈130a和第二端子部130b。
如图2和图3所示，上述拾波线圈130a像弹簧一样卷绕并且沿着上述通孔110a的外边缘弯曲，从而形成环形。上述拾波线圈130a通过感生电流测量上述输电线路10中的电流。将上述拾波线圈130a布置成其至少一部分嵌入上述PCB 110内。
更具体地，将上述拾波线圈130a设置成使其环形纵剖面形成四边形。当然不仅可使用四边形，还可以使用各种形状。然而，如下面将说明的，考虑到上述拾波线圈130a以与上述PCB 110接触的方式暴露，四边形更稳固。
在此情况下，以下面的方式缠绕上述拾波线圈130a：在反复地暴露于上述PCB 110的下侧并嵌入上述PCB 110内以前，上述拾波线圈130a反复地暴露于上述PCB 110的上侧并嵌入上述PCB 110内。也就是说，上述拾波线圈130a的竖直弯曲部分嵌入上述PCB 110内，而上水平弯曲部分131以与上述PCB 110的上侧接触的方式暴露，下水平弯曲部分132以与上述PCB 110的下侧接触的方式暴露。上述第二端子部130b从上述拾波线圈130a的两端起延伸并且穿过上述PCB 110的一侧暴露出，以测量上述输电线路10中的电流。
下面将详细描述根据本发明另一实施例的用于测量电特性的传感器。
图4是根据本发明另一实施例的用于测量电特性的传感器的俯视图。图5是从图4所示的传感器中移除一部分印刷电路板的放大立体图，而图6是示出了图5所示的传感器进一步具有屏蔽罩的放大立体图。
对照图4至图6，用于测量电特性的传感器200包括印刷电路板(PCB)210、电压传感器220和电流传感器230。
上述PCB 210限定了插槽210a，该插槽210a的一端敞口，以允许将输电线路10插入其中；其另一端具有圆形形状，以对应于上述输电线路10的外边缘。
上述电压传感器220包括电极220a和第一端子部220b。电极220a具有圆弧形状。上述电极220a抵靠上述插槽210a的一部分内边缘固定，以测量在上述输电线路10中形成的电压。上述第一端子部220b的一端与上述电极220a的一侧接触，另一端通过上述PCB 210的一侧暴露出。上述第一端子部220b还可以嵌入上述PCB 210内或者暴露于上述PCB210的上表面或下表面。
上述电流传感器230包括拾波线圈230a和第二端子部230b。上述拾波线圈230a像弹簧一样卷绕并且沿着上述插槽210a内边缘的外侧部弯曲，从而形成圆弧形(当从上面观看时)。上述拾波线圈230a通过感生电流测量上述输电线路10中的电流。将上述拾波线圈230a布置成其至少一部分嵌入上述PCB 210内。
更具体地，与上面描述的传感器100的拾波线圈130a类似，将上述拾波线圈230a设置成使具有圆弧形状的纵剖面形成四边形。当然不仅可使用四边形，还可以使用各种形状。然而，如下面将说明的，考虑到上述拾波线圈230a以与上述PCB 210接触的方式暴露，四边形更稳固。
在此情况中，以下面的方式缠绕上述拾波线圈230a：在反复地暴露于上述PCB 210的下侧并嵌入上述PCB 210内以前，上述拾波线圈230a反复地暴露于上述PCB 210的上侧并嵌入上述PCB 210内。也就是说，上述拾波线圈230a的竖直弯曲部分嵌入上述PCB 210内，而上水平弯曲部分以与上述PCB 210的上侧接触的方式暴露，下水平弯曲部分以与上述PCB 210的下侧接触的方式暴露。上述第二端子部230b从上述拾波线圈230a的两端起延伸并且穿过上述PCB 210的一侧暴露出，以测量上述输电线路10中的电流。
上述PCB 210还包括法拉第屏蔽器240，该法拉第屏蔽器240布置在上述拾波线圈230a和上述插槽210a之间，以防止由上述输电线路10形成的电压转移给上述拾波线圈230a。此外，上述PCB 210还包括屏蔽罩250，该屏蔽罩250布置在上述法拉第屏蔽器240和上述输电线路10之间并且接地，以使上述法拉第屏蔽器240接地。在上述法拉第屏蔽器240中，可在与上述输电线路10中的电流流动方向垂直的方向上形成至少一条裂缝240a。如果在上述法拉第屏蔽器240中形成裂缝240a，那么可以防止由上述输电线路10建立的电场转移给上述拾波线圈230a，而允许将磁场转移给上述拾波线圈230a。这样可以更准确地测量拾波线圈230a中的电流。
根据上面描述的本发明的实施例，上述电极120a或220a和上述拾波线圈130a或230a一体地形成在上述印刷电路板(PCB)110或210上。因此可以获得一致的质量并且可以十分准确地测量上述输电线路10的电特性。而且由于上述电压传感器120或220以及上述电流传感器130或230布置在上述输电线路10周围，所以提供完全非接触型结构，在该结构中没有与上述输电线路10中的芯导体11直接接触的部分。此外，由于存在可采用的传感器100和传感器200(其中，上述传感器100具有形成为完全裹住上述输电线路10的通孔110a，上述传感器200具有形成为部分裹住上述输电线路10的插槽210a)，所以如果需要，上述PCB 110或210可以选择性地使用上述传感器100和200。
在使用上述法拉第屏蔽器240的情况下，可以防止在上述输电线路10中形成的电压转移给上述拾波线圈130a或230a，以测得更准确的值。此外，在上述屏蔽罩250与上述法拉第屏蔽器240一起使用的情况下，可以将上述法拉第屏蔽器240接地，以测得更准确的值。
根据上面描述的本发明的实施例，用于测量电特性的传感器具有如下文所述的优点。
第一，由于电极和拾波线圈一体地形成在上述印刷电路板(PCB)上，所以能够十分准确地测量输电线路的电特性。
第二，由于电流传感器和电压传感器布置在输电线路周围，所以能够提供完全非接触型的结构，在该结构中没有与上述输电线路中的芯导体直接接触的部分。
第三，由于存在两种可采用的传感器的结构，一种具有形成为完全裹住输电线路的通孔，另一种具有形成为部分裹住上述输电线路的插孔，所以如果需要，能够选择性地使用传感器。
第四，在使用法拉第屏蔽器的情况下，可以防止在输电线路中形成的电压转移给拾波线圈，以测得更准确的值。
第五，在屏蔽罩与法拉第屏蔽器一起使用的情况下，可以将上述法拉第屏蔽器接地，以测得更准确的值。
根据上面描述的本发明，由于电极和拾波线圈一体地形成在印刷电路板(PCB)上。因此可以获得一致的质量并且可以十分准确地测量输电线路的电特性。而且，由于电流传感器以及电压传感器布置在输电线路周围，所以能够提供完全非接触型结构，在该结构中没有与上述输电线路中的芯导体直接接触的部分。
虽然结合附图所示的实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域的技术人员将明白，在不背离被发明的范围和精神的情况下可以进行各种替换、修改和变化。

Claims (7)

1.一种用于测量电特性的传感器，其包括印刷电路板、电压传感器以及电流传感器，其中：
所述印刷电路板限定有插入输电线路的圆形通孔；
所述电压传感器包括环形电极和第一端子部，以测量所述输电线路中形成的电压，其中，所述电极抵靠所述通孔的内边缘固定，以测量所述输电线路中形成的电压，并且所述第一端子部具有与所述电极的一侧接触的一端和穿过所述印刷电路板的一侧暴露出的另一端；
所述电流传感器包括拾波线圈和第二端子部，以测量所述输电线路中的电流，其中，所述拾波线圈像弹簧一样卷绕并且沿着所述通孔的外边缘弯曲，从而形成从上方观看时的环形，并且所述拾波线圈布置成其至少一部分嵌入所述印刷电路板内，所述第二端子部从所述拾波线圈的两端起延伸并且穿过所述印刷电路板的一侧暴露出。
2.一种用于测量电特性的传感器，其包括印刷电路板、电压传感器以及电流传感器，其中：
所述印刷电路板限定有插槽，所述插槽的一端敞口以允许输电线路插入其中；
所述电压传感器包括具有圆弧形状的电极和第一端子部，以测量所述输电线路中形成的电压，其中，所述电极抵靠所述插槽的一部分内边缘固定，并且所述第一端子部具有与所述电极的一侧接触的一端和穿过所述印刷电路板的一侧暴露出的另一端；
所述电流传感器包括拾波线圈和第二端子部，以测量所述输电线路中的电流，其中，所述拾波线圈像弹簧一样卷绕并且沿着所述插槽内边缘的外部弯曲，从而形成从上方观看时的圆弧形，并且所述拾波线圈布置成其至少一部分嵌入所述印刷电路板内，所述第二端子部从所述拾波线圈的两端起延伸并且穿过所述印刷电路板的一侧暴露出。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述印刷电路板进一步包括法拉第屏蔽器，所述法拉第屏蔽器布置在所述拾波线圈和所述插槽之间，以防止由所述输电线路形成的电压转移给所述拾波线圈。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述印刷电路板进一步包括屏蔽罩，所述屏蔽罩布置在所述法拉第屏蔽器和所述输电线路之间并且接地，以使所述法拉第屏蔽器接地。
5.根据权利要求3或4所述的传感器，其中，在所述法拉第屏蔽器中，在与所述输电线路中电流方向垂直的方向进一步形成裂缝。
6.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，将所述拾波线圈布置成使所述环形或所述圆弧形的纵剖面形成四边形。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，以下面的方式缠绕所述拾波线圈：在反复地暴露于所述印刷电路板的下侧并嵌入所述印刷电路板内以前，所述拾波线圈反复地暴露于所述印刷电路板的上侧并嵌入所述印刷电路板内。
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