CN103645369A - 一种电流传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电流传感装置，用于检测导线电流，其特征在于：该装置包括至少两个固定间距的传感器和一个控制单元；所述每个传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元由磁性传感元件组成；所述传感器沿待测导线直径辐射方向位于不同物理位置；所述控制单元用于供电和数据处理。本发明引入了多个间距固定的传感器来检测导线电流产生的磁场，并根据检测到的不同磁场强度值来计算导线电流的大小，与现有的电流检测方法相比具有灵敏度高、测量精度高，温度特性好、体积小、抗干扰能力强和使用便捷的优点。

Description

一种电流传感装置

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，特别涉及一种磁性电流传感器。

背景技术

电流测量装置一般是通过被测电流产生的磁场大小来实现对电流的测量的，以霍尔元件和磁电阻元件为敏感元件的磁性电流传感器较之于光纤和线圈式电流传感器具有更高的精度和灵敏度，且在油污和极端的温度环境下可以使用。霍尔电流传感器是目前使用最为广泛的电流传感装置，其利用霍尔效应原理测量通电导线的场强进而得到电流的大小，霍尔元件测量范围宽，但是灵敏度和精度非常低，因此以霍尔元件为敏感元件的电流传感器需要设置额外的聚磁环结构，体积非常大，而以高精度和高灵敏度的磁电阻元件（各向异性磁电阻、巨磁电阻以及磁性隧道结元件）为敏感元件的电流传感器越来越成为主流。

通常电流传感器的工作机理为导入式测量或非接触式测量。导入式测量是电流传感器内有一跟导线，待测电流引入这根导线，然后位于其附近的传感单元测出导线周围磁场的大小进而得到电流大小，但是采用这种测量方法使用上并不便捷。非接触式传感器是将传感器接近待测导体，然后测出导线周围磁场的大小进而得到电流大小，目前常用的非接触式电流传感器都是采用一个霍尔元件为敏感元件的测量单元，但是磁场的分布是和导线的距离相关的，因此仅仅依靠一个传感单元很难准确的测量电流的大小。

随着现代工业的发展，对于电流测量的精度、灵敏度、高低温特性、抗干扰能力以及使用便捷度要求越来越高，我们不难看出，现有的电流传感器无法满足要求。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷提供一种灵敏度高、测量精确和使用便捷的磁性电流传感器。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种电流传感装置，用于检测导线电流，其特征在于：该装置包括至少两个固定间距的传感器和一个控制单元；

所述每个传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元由磁性传感元件组成；所述传感器沿待测导线直径辐射方向位于不同物理位置；

所述控制单元用于供电和计算传感器所在位置的磁场强度。

其进一步的特征在于：所述传感器包括三个传感单元，三个传感单元的磁场敏感方向两两垂直。

上述传感装置沿直径辐射方向在原有的传感器基础上设置有额外的多个传感器用以检测干扰场强度，额外的传感器个数与干扰场数量相同，每个传感器之间的距离固定。

进一步的：所述传感单元为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个磁性传感元件并联和/或串联组成。

上述传感元件为电感线圈、霍尔元件、各项异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件。

所述巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件至少包含自由层、非磁性层以及钉扎层三个纳米级薄膜层。

所述巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件可通过以下方式使其输出曲线线性化：

在自由层上方或下方沉积反铁磁层；

在元件附近沉积永磁体层；

将传感元件设置为狭长形状，如矩形、椭圆形或长菱形；

在自由层上方或下方沉积电流线。

本发明引入了多个间距固定的传感器来检测导线电流产生的磁场，并根据检测到的不同磁场强度值来计算导线电流的大小，与现有的电流检测方法相比具有灵敏度高、测量精度高，温度特性好、体积小、抗干扰能力强和使用便捷的优点。

附图说明

图1是本发明提供的电流传感装置的结构示意图。

图2是采用三单元的磁性电流传感器的结构示意简图。

图3是巨磁电阻元件和磁性隧道结元件的结构示意简图。

图4是磁电阻元件的输出曲线示意图。

图5是半桥式传感单元的电连接示意图。

图6是半桥式传感单元的输出曲线示意图。

图7是全桥式传感单元的电连接示意图。

图8是全桥式传感单元的输出曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。

如图1所示，本实施例提供的电流测量装置包括磁性传感器11、磁性传感器12以及控制单元13。两个传感单元11和12用于测量位于其位置处的场强大小，控制单元13的作用是供电和数据处理。两个磁性传感器11和12由磁性传感单元构成，其磁场敏感方向7相同，并沿着导线直径辐射方向位于不同的位置，两个传感器之间的距离恒定且为D，两个传感器分别测出其所在位置的磁场强度H₁和H₂，然后计算出待测导线21的电流I的大小。

由毕奥-萨伐尔定律我们可以计算得知电流为I的长直导线的磁场分布与电流大小I和测量位置到导线横截面圆心的距离R相关，且与电流大小I以及距离的倒数（1/R）成正比，为:

$B=K\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{2\mathrm{\πR}}---\left(1\right)$

由于实际测量中导线并不是理想长直导线，我们会对公式做一定调整，公式中的K即为校正系数，可根据实际应用调整。其中B为磁感应强度，有H=μB，其中μ是介质磁导率，一般指空气磁导率，为常数，μ₀为真空磁导率，为常数，I为待测电流，R为传感器到导线横截面中心的距离，其中未知的条件为I和R。

通常接近式测量导线电流大小由于并不能准确的获知测量位置到导体横截面圆心之间的距离R因此不能够准确的得到电流大小I。通过设置两个传感器我们可以测量出位于位置1处的场强H₁以及位于位置2处的场强H₂，传感器11距离导线21横截面圆心的距离为R1，传感器12距离导线21横截面圆心的距离为R2，其距离差（R1-R2）=D是已知且固定的。由三个已知条件H₁、H₂、D可以求解三个未知参数I、R1、R2，则最终可以得到电流I的精确大小。

控制单元13主要作用就是给整个传感装置供电，同时通过内置的微处理系统对输出信号处理从而得到导线电流I的大小。

对于采用磁电阻式传感元件的单个传感单元的传感器测量的时候仅能测得所在位置的磁场沿其磁场敏感方向7上分量的大小，因此该电流传感装置在使用的时候要求其敏感面平行于所在位置磁场32的切线方向，即传感器的磁场敏感方向7与导线垂直，即可准确测得该位置磁场的大小。

但是在实际测量中，要使传感器的敏感面和导线完全垂直是很难办到的，如果不固定的话，多少会有倾角，带来测量误差。因此，可以进一步地将两个传感器11和12设置为含有三单元的结构分别测量磁场矢量在X、Y以及Z轴的分量大小，其结构示意图如图2所示。传感单元41、42、43的磁场敏感方向分别为1、2、3，三个传感单元的磁场敏感方向1、2、3两两垂直，可测得空间内任一矢量磁场沿1、2、3方向上分量的大小，然后可以准确地计算出空间矢量磁场的强度大小。

在实际应用中，还会遇到的一个问题是测量环境的复杂导致存在干扰场。对于存在干扰场的测试环境，我们可以根据需求沿待测导线直径辐射方向再适当增加传感器测得该位置的磁场强度H₃、H₄……，如果有一个干扰场，则增加一个传感器，如果有两个干扰场，则增加两个传感器，以此类推，解决干扰场问题，增加的未知条件干扰场H_x1、H_x2……以及距离R3、R4……可通过增加的测量数据H₃、H₄……以及已知的传感器之间的距离D2、D3……求解方程得到。

磁性传感单元的敏感元件为磁性传感元件，常用的磁性传感元件有电感线圈、霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件。其中电感线圈是通过电磁感应测量磁场，其灵敏度和精度都非常低；霍尔元件是通过霍尔效应的原理测量磁场，其饱和场很大，测量范围宽，但是灵敏度低，精度也低，通常需要额外的聚磁环结构增加其灵敏度，从而体积也很大。面对现代工业和自动化设备对电流测量的高精度要求，具有高精度、高灵敏度、低功耗、体积小、温度特性高等优势的以巨磁电阻元件和磁性隧道结元件为代表的磁电阻元件成为电流传感器的最优选择。

图3是巨磁电阻元件和磁性隧道结元件的结构示意图。如图所示，巨磁电阻元件（磁性隧道结元件）位于基底54上，由纳米级薄膜顶电极层56、自由层51、非磁性层52、钉扎层53、底电极层55构成。自由层51由磁性材料构成，也可以是铁磁层-间隔层-铁磁层的结构，其磁矩61随外场变化；非磁性层52由非磁性材料构成，如果是巨磁电阻元件，则非磁性层52为金属材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道结元件，则为非金属材料，如AlO_x、MgO等；钉扎层53的磁矩63不变，通常是铁磁层-反铁磁层复合式结构或SAF层-反铁磁层结构。顶电极层56和底电极层55由金属导体材料组成，实际应用中可通过顶电极层56和底电极层55将多个元件串联或并联，或串并混合连接为一个等效电阻来使用，同时顶电极层56和底电极层55还包含引导晶格生长的帽子层和种子层。当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63平行时，元件的阻值R最小，为R_L；当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63反平行时，元件的阻值R最大，为R_H。通过现有的技术，可以使元件的阻值R在R_L和R_H之间线性变化，例如在自由层51的上方或下方沉积反铁磁材料，或是在元件周围设置永磁体，或者是在元件周围设置电流线，或者是将元件设计为狭长的形状，例如矩形、椭圆形、长菱形等，利用其形状各向异性能偏置自由层磁矩以达到线性化的目的。

图4是巨磁电阻元件（磁性隧道结）元件的输出曲线示意图，其电阻值R随外场H在其饱和场-H_s和H_s之间线性变化，当施加的外场沿其敏感方向的场强的绝对值大于其饱和场的绝对值时，其阻值不变。

传感单元可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。由于单电阻结构只含有一个等效磁电阻，在此不再赘述，下文将对半桥和全桥结构详细阐述。

图5是半桥结构的电连接示意图。磁电阻71和73串联起来，由焊点V_bias和GND之间通入稳恒电压或电流。半桥可以是参考半桥或推挽半桥。参考半桥的一个桥臂（磁电阻）73的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，另一个桥臂（磁电阻）71的阻值变化导致其两端输出电压V1变化，从而以此测量出磁场；推挽半桥则是两个桥臂71、73的磁场敏感方向相反，在受到同一个外场作用下一个阻值增大，一个阻值减小，从而导致输出电压V1（V2）的变化测量出磁场；梯度半桥测量的是梯度场，沿着梯度场的方向场强不同，导致两个敏感方向相同的磁电阻阻值变化不同，从而引起输出电压的变化进而测量出磁场。半桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图6所示。

图7是全桥结构的电连接示意图。磁电阻71和72串联，73和74串联，串联的两个电阻对再并联，由焊点V_bias和GND之间通入稳恒电压或电流。全桥可以是参考全桥或推挽全桥。参考全桥分别位于左右半桥的两个桥臂71和74的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，桥臂73和74的磁场敏感方向相同，在同一外场作用下其阻值变化相同，从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。推挽全桥的桥臂71和74的磁场敏感方向相同，72和73的磁场敏感方向相同，71和72的磁场敏感方向相反，在同一外场的作用下，71和74阻值变大的同时72和73的阻值减小（或者71和74阻值减小的同时72和73阻值增大），从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。

降低磁电阻灵敏度的以构成参考半/全桥的桥臂可以采用但不局限于以下方式：如在磁电阻元件上沉积磁导率高的软磁材料，设置偏置场大的永磁体或沉积厚的反铁磁层等。通过以上方式可在一张晶圆上一次制备出参考全桥芯片。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电流传感装置，用于检测导线电流，其特征在于：该装置包括至少两个固定间距的传感器和一个控制单元；

所述每个传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元由磁性传感元件组成；所述传感器沿待测导线直径辐射方向位于不同物理位置；

所述控制单元用于供电和计算传感器所在位置的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的电流传感装置，其特征在于：所述传感器包括三个传感单元，三个传感单元的磁场敏感方向两两垂直。

3.根据权利要求1所述的电流传感装置，其特征在于：所述传感装置沿直径辐射方向在原有的传感器基础上设置有额外的多个传感器用以检测干扰场强度，额外的传感器个数与干扰场数量相同，每个传感器之间的距离固定。

4.根据权利要求1-3任一项所述的电流传感装置，其特征在于：所述传感单元为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个磁性传感元件并联和/或串联组成。

5.根据权利要求4所述的电流传感装置，其特征在于：所述传感元件为电感线圈、霍尔元件、各项异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件。

6.根据权利要求5所述的电流传感装置，其特征在于：所述巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件至少包含自由层、非磁性层以及钉扎层三个纳米级薄膜层。

7.根据权利要求6所述的电流传感装置，其特征在于：所述巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件通过以下方式使其输出曲线线性化：

在自由层上方或下方沉积反铁磁层；

在元件附近沉积永磁体层；

将传感元件设置为如矩形、椭圆形或长菱形的狭长形状；

在自由层上方或下方沉积电流线。

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