CN103364612A - 一种双霍尔元件电流传感器 - Google Patents

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刘胜
程兴国
李富安
杨军
王小平
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Abstract

一种双霍尔元件电流传感器，属于电流传感装置，解决现有双霍尔元件电流传感器的铁心中气隙较大，导致漏磁较多、测量精度较低的问题，同时，减少外界噪声、磁场和静电等干扰，用于测量交流电流或者直流电流。本发明包括绝缘外壳、开口环状铁芯和两个霍尔元件，开口环状铁芯位于绝缘外壳的环形腔体内，两个霍尔元件位于开口环状铁芯的同一气隙中与磁力线垂直的同一截面内；所述绝缘外壳上设有接线端子，所述两个霍尔元件分别与接线端子电气连接；所述绝缘外壳和开口环状铁芯之间设置有磁屏蔽环。本发明中两个霍尔元件的放置方式减少了开口环状铁芯的漏磁量，相应提高测量精度；所设置的磁屏蔽环，可有效屏蔽周边电磁场的干扰。

Description

一种双霍尔元件电流传感器
技术领域
本发明属于电流传感装置，具体涉及一种双霍尔元件电流传感器，其利用霍尔效应，用于测量交流电流或者直流电流。
背景技术
如图1所示，传统的霍尔电流传感器包括绝缘外壳1，导体5放在测量孔1-2中，被测电流从导体5中流过，霍尔元件与接线端子电连接，绝缘外壳1上内设接线端子。由于温度的变化，会导致霍尔元件的输出产生漂移，影响其测量精度和线性度，因此，霍尔电流传感器需要进行复杂的温度补偿和线性校正。一些补偿技术虽在一定程度上改善了传感器的稳定性和测量精度，但实现方法复杂、造价高、精度低，没有充分利用霍尔元件的自身特性实现自补偿校正。
图2和图3是典型的现有双霍尔电流传感器结构示意图，图2的二个霍尔元件3横向前后叠放在铁心的气隙中，图3的二个霍尔元件3分别放在二个气隙2-1中。这两种双霍尔电流传感器均可接成二种输出形式，一种是传感器的输出是二个单霍尔输出的算术平均值形式，该种方法适用于闭环霍尔电流传感器模式，其能大幅度降低了传感器的非线性度和位置误差，提高了传感器的抗干扰能力与量程范围。另一种是两个霍尔配合一定的元器件组成的传感器，其输出是差分形式。该种双霍尔电流传感器方案能够从信号源头上抑制温度漂移和共模干扰，改善了电流传感器的稳定性和线性度，且具有自补偿和线性校正的特征。
这两种双霍尔元件电流传感器的铁心中气隙均较大，漏磁均较多，导致测量精度较低，特别是在测量小于100A的电流时，表现出的缺陷更加明显。
另外，在测试过程中，由于外界因素的影响而产生噪声、磁场和静电等干扰，从而使得电路板上检测电路受干扰而导致电流测量值出现偏差。为了减少这种干扰造成的影响，方法常有：使被测导线与环形铁心保持均匀的间隔，也有采用现场施工的方式在实线上分层地缠绕绝缘层和屏蔽层，还有的直接在霍尔电流传感器的铁芯外侧壁和绝缘壳体的环内侧壁之间设置一层绝缘层。这些方法，不但安装费时费力，而且抗干扰效果没有保证，甚至有的方法还会影响传感器的本身正常工作。
发明内容
本发明提供一种双霍尔元件电流传感器，解决现有双霍尔元件电流传感器的铁心中气隙较大，导致漏磁较多、测量精度较低的问题，同时，减少外界噪声、磁场和静电等干扰。
本发明所提供的一种双霍尔元件电流传感器，包括绝缘外壳、开口环状铁芯和两个霍尔元件，所述绝缘外壳为具有环形腔体的环状箱体，环状箱体所形成的中心空间作为测量孔，所述开口环状铁芯位于所述绝缘外壳的环形腔体内，两个霍尔元件位于所述开口环状铁芯的同一气隙中，所述绝缘外壳上设有接线端子，所述两个霍尔元件分别与接线端子电气连接；其特征在于：
所述两个霍尔元件在所述气隙中，并排设置在与磁力线垂直的同一截面内；
所述绝缘外壳的环形腔体和所述开口环状铁芯之间设置有磁屏蔽环，所述磁屏蔽环从所述开口环状铁芯的上侧、下侧和外侧三面包围开口环形铁芯，开口环形铁芯内侧未被磁屏蔽环包围，以便所述测量孔中载流导体产生的磁力线在开口环形铁芯中通过。
所述的双霍尔元件电流传感器，其特征在于：
所述开口环状铁芯为矩形，开口位于矩形的一条长边正中间部位，构成气隙。
所述的双霍尔元件电流传感器，其特征在于：
所述磁屏蔽环由非磁性导电材料制成薄片构成，或者由非磁性导电材料直接镀在对应所述开口环状铁芯上侧、下侧和外侧的绝缘外壳环形腔体内侧壁上构成。
本发明将两个霍尔元件在同一气隙中并排设置在与磁力线垂直的同一截面内，两个霍尔元件的这种放置方式没有另外增加开口环状铁芯中气隙的宽度，从而减少了开口环状铁芯的漏磁量，测量精度也会相应提高；绝缘外壳的环形腔体和开口环状铁芯之间所设置的磁屏蔽环，从开口环状铁芯的上侧、下侧和外侧三面包围开口环形铁芯，可有效屏蔽周边电磁场的干扰。
根据实际需要，可将本发明配合运算放大器及其它电子元器件搭建成两种实用电路，一种实用电路称为加法式霍尔电流传感器，其输出电压VH为二个霍尔元件单独输出的代数平均数：
VH＝0.5(VH1+VH2)；        (1)
式中VH1、VH2分别为两个霍尔元件在一定激励电流和外加磁场作用下分别输出的电压值。加法式霍尔电流传感器能够大幅度降低传感器的非线性度和位置误差，提高传感器的抗干扰能力与量程范围，适用于闭环霍尔电流传感器模式。
另一种实用电路称为差分式霍尔电流传感器，其输出电压VH为二个霍尔元件单独输出的差值：VH＝VH1-VH2；
两个霍尔元件分别用H1和H2表示，B为作用于H1和H2的磁感应强度，H1、H2的霍尔电压系数KH相同，由于温度等环境因素的影响而使两个霍尔元件H1和H2出现偏差量分别记为V1和V2，通过与运放及相关电子元器件的组合电路，可以实现：VH1＝V1+KHB，VH2＝V2-KHB；
通过电路再对VH1和VH2进行相减运算，其输出电压VH：
VH＝VH1-VH2＝V1-V2+2KHB，
由于H1和H2的参数是相同的，所处的环境也是一样的，在理论上V1≈V2，则上式可以表示为：
VH＝2KHB；           (2)
差分式霍尔电流传感器能够从信号源头上抑制温度漂移和共模干扰，减小静态输出、增大信号幅度，改善了稳定性和线性度，且具有自补偿和线性校正的特征，可省缺温度补偿措施，提高测量精度，适用于开环霍尔电流传感器模式。
附图说明
图1为现有霍尔电流传感器的外部结构示意图；
图2为一种现有双霍尔电流传感器的内部截面示意图；
图3为另一种现有双霍尔电流传感器的内部截面示意图；
图4为本发明的水平截面结构示意图；
图5为本发明的开口环状铁芯磁力线仿真结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明：
如图4所示，本发明的实施例，包括绝缘外壳1、开口环状铁芯2和两个霍尔元件3，所述绝缘外壳1为具有环形腔体1-1的环状箱体，环状箱体所形成的中心空间1-2作为测量孔，所述开口环状铁芯位于所述绝缘外壳1的环形腔体1-1内，两个霍尔元件3位于所述开口环状铁芯2的同一气隙2-1中，所述绝缘外壳1上设有接线端子，所述两个霍尔元件3分别与接线端子电气连接；
所述两个霍尔元件3在所述气隙2-1中，并排设置在与磁力线垂直的同一截面内；
所述绝缘外壳1的环形腔体1-1和所述开口环状铁芯2之间设置有磁屏蔽环4，所述磁屏蔽环4从所述开口环状铁芯2的上侧、下侧和外侧三面包围开口环形铁芯2，开口环形铁芯2内侧未被磁屏蔽环包围，以便所述测量孔中载流导体产生的磁力线在开口环形铁芯2中通过，同时还可有效屏蔽周边电磁场的干扰。
本实施例中，所述开口环状铁芯2为矩形，开口位于矩形的一条长边正中间部位，构成气隙2-1。
所述磁屏蔽环4由铜片构成，或者由非磁性导电材料直接镀在对应所述开口环状铁芯上侧、下侧和外侧的绝缘外壳1环形腔体1-1内侧壁上构成。
通过用ANSYS仿真工具和实验测试结果可知，在开口环状铁芯的气隙中，两个霍尔元件所在位置处的磁感应强度是一致的，从而保证了公式(1)和公式(2)的准确性。
图5所示为开口环状铁芯的磁力线仿真结果示意图，仿真参数设定：铁芯的外形尺寸是38mm×28mm×2.1mm，铁芯中矩形测试孔的尺寸为12mm×6mm×2.1mm，放在测试孔中导体所加电流为50A(直流)，环状铁芯中气隙的宽度为2mm。
表1
节点 磁感应强度
1 0.3054E-1
2 0.3054E-1
3 0.3054E-1
4 0.3054E-1
5 0.3056E-1
6 0.3054E-1
7 0.3057E-1
8 0.3064E-1
9 0.3054E-1
10 0.3055E-1
在开口环状铁芯中间的测试孔内放置的导体通以50A直流，然后用HT201高斯计的探头垂直放入开口环状铁芯的开口气隙中，随机选取十个节点，测量各节点的磁感应强度，其数值如表1所示，节点系指所述开口气隙中的空间位置，节点1和节点2位于与磁力线垂直的同一截面内。从表1中可知，节点1和节点2的磁感应强度均为0.03054T，该两节点为二个霍尔元件准备放置的位置，另外在气隙中的磁感应强度的最大值和最小值为0.03064T和0.030534T，二者相差为0.000106T，即相差约为一高斯，基本上可以忽略不计。

Claims (3)

1.一种双霍尔元件电流传感器，包括绝缘外壳(1)、开口环状铁芯(2)和两个霍尔元件(3)，所述绝缘外壳(1)为具有环形腔体(1-1)的环状箱体，环状箱体所形成的中心空间(1-2)作为测量孔，所述开口环状铁芯位于所述绝缘外壳(1)的环形腔体(1-1)内，两个霍尔元件(3)位于所述开口环状铁芯(2)的同一气隙(2-1)中，所述绝缘外壳(1)上设有接线端子，所述两个霍尔元件(3)分别与接线端子电气连接；其特征在于：
所述两个霍尔元件(3)在所述气隙(2-1)中，并排设置在与磁力线垂直的同一截面内；
所述绝缘外壳(1)的环形腔体(1-1)和所述开口环状铁芯(2)之间设置有磁屏蔽环(4)，所述磁屏蔽环(4)从所述开口环状铁芯(2)的上侧、下侧和外侧三面包围开口环形铁芯(2)，开口环形铁芯(2)内侧未被磁屏蔽环包围，以便所述测量孔中载流导体产生的磁力线在开口环形铁芯(2)中通过。
2.如权利要求1所述的双霍尔元件电流传感器，其特征在于：
所述开口环状铁芯(2)为矩形，开口位于矩形的一条长边正中间部位，构成气隙(2-1)。
3.如权利要求1或2所述的双霍尔元件电流传感器，其特征在于：
所述磁屏蔽环(4)由非磁性导电材料制成薄片构成，或者由非磁性导电材料直接镀在对应所述开口环状铁芯上侧、下侧和外侧的绝缘外壳(1)环形腔体(1-1)内侧壁上构成。
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