CN113125832A - 全频段电流传感器 - Google Patents

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CN113125832A CN201911420124.4A CN201911420124A CN113125832A CN 113125832 A CN113125832 A CN 113125832A CN 201911420124 A CN201911420124 A CN 201911420124A CN 113125832 A CN113125832 A CN 113125832A
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李大来
蒋乐跃
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Abstract

本发明提供一种全频段电流传感器，其根据被测电流产生的磁感应强度来检测被测电流，全频段电流传感器包括导体、霍尔传感器和平面线圈传感器。所述导体用于为被测电流提供流经通道，使被测电流能够流过所述导体；所述霍尔传感器位于所述导体的周围，其用于探测所述被测电流中的低频电流；所述平面线圈传感器位于所述导体的周围，其用于探测所述被测电流中的高频电流。与现有技术相比，本发明的全频段电流传感器，其一方面，可以很好地消除外界磁场的影响，从而提高电流的探测精度；其另一方面，可以实现全频段的电流检测。

Description

全频段电流传感器
【技术领域】
本发明涉及电流传感器技术领域，尤其涉及一种全频段电流传感器。
【背景技术】
用于测量电流大小的电流传感器广泛应用于各种电子设备中。现有技术中的一种电流传感器，其内部集成有一个U字形状的导体，导体周围放置两个磁电阻传感器，使被测电流流经传感器内部集成的U字形状的导体，由两个磁电阻传感器对导体中电流产生的磁场进行差分测量，从而达到探测(或检测)被测电流的目的。
但是，对于基于霍尔效应的电流传感器来说，为了消除零点信号的漂移，通常采用动态零点消除技术。其缺点是，只能探测低频电流。
因此，有必要提出一种改进的技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种全频段电流传感器，其一方面，可以很好地消除外界磁场的影响，从而提高电流的探测精度；其另一方面，可以实现全频段的电流检测。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种全频段电流传感器，其根据被测电流产生的磁感应强度来检测被测电流，所述全频段电流传感器包括导体、霍尔传感器和平面线圈传感器。所述导体用于为被测电流提供流经通道，使被测电流能够流过所述导体；所述霍尔传感器位于所述导体的周围，其用于探测所述被测电流中的低频电流；所述平面线圈传感器位于所述导体的周围，其用于探测所述被测电流中的高频电流。
进一步的，所述霍尔传感器包括第一霍尔传感器单元和第二霍尔传感器单元，所述第一霍尔传感器单元和第二霍尔传感器单元位于所述导体的周围，以形成差分输出。
进一步的，所述平面线圈传感器包括第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元，所述第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元位于所述导体的周围，以形成差分输出。
进一步的，所述第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元统称为平面线圈传感器单元，所述平面线圈传感器单元包括平面线圈、差分放大器和积分电路，所述平面线圈的两个端口分别与所述差分放大器的两个输入端相连；所述差分放大器用于将其两个输入端的电压的差值进行放大，并将放大后的差值电压通过其输出端输出；所述积分电路的输入端与所述差分放大器的输出端相连，其输出端与所述平面线圈传感器单元的输出端相连，所述积分电路使其输出端的输出信号与其输入端的输入信号的时间积分值成比例。
进一步的，所述平面线圈传感器单元包括运算放大器、积分电阻和积分电容，所述运算放电器的第一输入端经积分电阻与所述差分放大器的输出端相连，且其第一输入端经积分电容与其输出端相连，其第二输入端接地。
进一步的，所述运算放电器的第一输入端和第二输入端分别为其反相输入端和正相输入端。
进一步的，所述U型导体包括第一腿部，第二腿部，以及连接第一腿部和第二腿部的连接部，所述第一腿部、第二腿部位于所述连接部的同一侧；第一腿部和第二腿部上流过的所述被测电流的方向相反。
进一步的，所述第一霍尔传感器单元和第二霍尔传感器单元分别位于所述U型导体的连接部的前侧和后侧；所述第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元分别位于所述U型导体的连接部的前侧和后侧。
进一步的，所述第一平面线圈传感器单元的输出为V21＝μ0Aeff(H21I+H0)/(RC)；所述第二平面线圈传感器单元的输出为V22＝μ0Aeff(-H22I+H0)/(RC)；所述平面线圈传感器的输出为V21-V22＝μ0Aeff(H21+H22)I/(RC)，其中，μ0为真空磁导率，Aeff为平面线圈包围的有效面积，R为所述积分电阻的电阻值，C为所述积分电容的电容值。
进一步的，所述霍尔传感器和平面线圈传感器集成在同一芯片上。
与现有技术相比，本发明中的电流传感器包括导体，以及设置于导体周围的霍尔传感器和平面线圈传感器，所述霍尔传感器用于探测被测电流中的低频电流；所述平面线圈传感器用于探测被测电流中的高频电流。这样，本发明中的全频段电流传感器：一方面，可以很好地消除外界磁场的影响，从而提高电流的探测精度；另一方面，可以实现全频段的电流检测。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在一个实施例中的全频段电流传感器的俯视图；
图2为沿图1的A-A剖面线的剖面示意图；
图3为沿图1的B-B剖面线的剖面示意图；
图4为图1所示的霍尔传感器单元和平面线圈传感器单元在一个实施例中的电路示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的全频段电流传感器的俯视图，其根据被测电流I产生的磁感应强度(或磁场)来检测被测电流I。
所述全频段电流传感器包括导体101、霍尔传感器102和平面线圈传感器103。所述导体101用于为被测电流I提供流经通道，使被测电流I能够流过所述导体101；所述霍尔传感器102位于所述导体101的周围，其用于探测所述被测电流I中的低频电流；所述平面线圈传感器103位于所述导体101的周围，其用于探测所述被测电流I中的高频电流。在一个优选的实施例中，霍尔传感器102和平面线圈传感器103可以集成在同一芯片上。
在图1所示的具体实施例中，所述导体101为U型导体，其包括第一腿部101a，第二腿部101b，以及位于第一腿部101a和第二腿部101b之间的连接部101c。所述连接部101c的一端与所述第一腿部101a的一端相连，所述连接部101c的另一端与所述第二腿部101b的一端相连，所述第一腿部101a、第二腿部101b位于所述连接部101c的同一侧。所述被测电流I由所述第一腿部101a的另一端流入所述U型导体101，依次流经所述第一腿部101a、连接部101c和第二腿部101b后，由所述第二腿部101b的另一端流出所述U型导体101，其中，第一腿部101a和第二腿部101b上流过的所述被测电流I的方向相反。
所述霍尔传感器102包括第一霍尔传感器单元102a和第二霍尔传感器单元102b。所述第一霍尔传感器单元102a和第二霍尔传感器单元102b位于所述导体101的周围，以形成差分输出。在图1所示的具体实施例中，第一霍尔传感器单元102a和第二霍尔传感器单元102b分别位于所述U型导体101的连接部101c的前侧(其为所述第一腿部101a和第二腿部101b所在侧)和后侧(其为与所述第一腿部101a和第二腿部101b所在侧相对的一侧)，且第一霍尔传感器单元102a和第二霍尔传感器单元102b靠近所述U型导体101的连接部101c的一端(该端与所述第一腿部101a相连)。
所述平面线圈传感器103包括第一平面线圈传感器单元103a和第二平面线圈传感器单元103b。所述第一平面线圈传感器单元103a和第二平面线圈传感器单元103b位于所述导体101的周围，以形成差分输出。在图1所示的具体实施例中，第一平面线圈传感器单元103a和第二平面线圈传感器单元103b分别位于所述U型导体101的连接部101c的前侧(其为所述第一腿部101a和第二腿部101b所在侧)和后侧(其为与所述第一腿部101a和第二腿部101b所在侧相对的一侧)，且所述第一平面线圈传感器单元103a和第二平面线圈传感器单元103b靠近所述U型导体101的连接部101c的另一端(该端与所述第二腿部101b相连。
为了方便表述，将第一霍尔传感器单元102a和第二霍尔传感器单元102b统称为霍尔传感器单元102a、102b；将第一平面线圈传感器单元103a和第二平面线圈传感器单元103b统称为平面线圈传感器单元103a、103b。请参考图4所示，其为图1所示的霍尔传感器单元102a、102b，以及平面线圈传感器单元103a、103b在一个实施例中的电路示意图。
图4所示的霍尔传感器单元102a、102b为现有技术中的常规设计，在此不再赘述。
图4所示的平面线圈传感器单元103a、103b包括平面线圈104、差分放大器105和积分电路107。所述平面线圈104的两个端口分别与所述差分放大器105的两个输入端相连；所述差分放大器105用于将其两个输入端的电压的差值进行放大，并将放大后的差值电压通过其输出端输出；所述积分电路107的输入端与所述差分放大器105的输出端相连，所述积分电路107的输出端与所述平面线圈传感器单元103a、103b的输出端相连，所述积分电路107使其输出端的输出信号与其输入端的输入信号的时间积分值成比例。
在图4所示的实施例中，所述积分电路107包括运算放大器106、积分电阻R和积分电容C。所述运算放电器106的第一输入端经积分电阻R与所述差分放大器105的输出端相连，且其第一输入端经积分电容C与其输出端相连，其第二输入端接地。在图4所示的具体实施例中，所述运算放大器106的第一输入端和第二输入端分别为其反相输入端和正相输入端。需要说明的是，所述积分电路107也可以采用现有技术中的其它类型的积分电路。
请参考图2所示，其为沿图1的A-A剖面线的剖面示意图。由图2可知，被测电流I，在第一霍尔传感器单元102a产生磁场H11，在第二霍尔传感器单元102b产生磁场-H12。第一霍尔传感器单元102a的输出为V11＝(H11I+H0)S，其中，H0为外界磁场，S为霍尔传感器相对于磁场的灵敏度；第二霍尔传感器单元102b的输出为V12＝(-H12I+H0)S；霍尔传感器102的输出为V11-V12＝(H11+H12)SI。霍尔传感器102用于探测低频电流。
请参考图3所示，其为沿图1的B-B剖面线的剖面示意图。由图3可知，被测电流I，在第一平面线圈传感器单元103a产生磁场H21，在第二平面线圈传感器单元103b产生磁场-H22。第一平面线圈传感器单元103a的输出为V21＝μ0Aeff(H21I+H0)/(RC)，其中μ0为真空磁导率，Aeff为平面线圈104包围的有效面积，R为积分电路107的积分电阻R的电阻值，C为积分电路107的积分电容C的电容值；第二平面线圈传感器单元103b的输出为V22＝μ0Aeff(-H22I+H0)/(RC)；平面线圈传感器103的输出为V21-V22＝μ0Aeff(H21+H22)I/(RC)。平面线圈传感器103用于探测高频电流。
综上可知，图1所示的全频段电流传感器的技术优势：一方面，可以很好地消除外界磁场的影响，从而提高电流的探测精度；另一方面，可以实现全频段的电流检测。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全频段电流传感器，其根据被测电流产生的磁感应强度来检测被测电流，其特征在于，其包括导体、霍尔传感器和平面线圈传感器，
所述导体用于为被测电流提供流经通道，使被测电流能够流过所述导体；
所述霍尔传感器位于所述导体的周围，其用于探测所述被测电流中的低频电流；
所述平面线圈传感器位于所述导体的周围，其用于探测所述被测电流中的高频电流。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，
所述霍尔传感器包括第一霍尔传感器单元和第二霍尔传感器单元，
所述第一霍尔传感器单元和第二霍尔传感器单元位于所述导体的周围，以形成差分输出。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，
所述平面线圈传感器包括第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元，
所述第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元位于所述导体的周围，以形成差分输出。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其特征在于，
所述第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元统称为平面线圈传感器单元，所述平面线圈传感器单元包括平面线圈、差分放大器和积分电路，
所述平面线圈的两个端口分别与所述差分放大器的两个输入端相连；
所述差分放大器用于将其两个输入端的电压的差值进行放大，并将放大后的差值电压通过其输出端输出；
所述积分电路的输入端与所述差分放大器的输出端相连，其输出端与所述平面线圈传感器单元的输出端相连，所述积分电路使其输出端的输出信号与其输入端的输入信号的时间积分值成比例。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，
所述平面线圈传感器单元包括运算放大器、积分电阻和积分电容，
所述运算放电器的第一输入端经积分电阻与所述差分放大器的输出端相连，且其第一输入端经积分电容与其输出端相连，其第二输入端接地。
6.根据权利要求5所述的电流传感器，其特征在于，
所述运算放电器的第一输入端和第二输入端分别为其反相输入端和正相输入端。
7.根据权利要求3-6任一所述的电流传感器，其特征在于，所述U型导体包括第一腿部，第二腿部，以及连接第一腿部和第二腿部的连接部，
所述第一腿部、第二腿部位于所述连接部的同一侧；
第一腿部和第二腿部上流过的所述被测电流的方向相反。
8.根据权利要求7所述的电流传感器，其特征在于，
所述第一霍尔传感器单元和第二霍尔传感器单元分别位于所述U型导体的连接部的前侧和后侧；
所述第一平面线圈传感器单元和第二平面线圈传感器单元分别位于所述U型导体的连接部的前侧和后侧。
9.根据权利要求8所述的电流传感器，其特征在于，
所述第一平面线圈传感器单元的输出为V21＝μ0Aeff(H21I+H0)/(RC)；
所述第二平面线圈传感器单元的输出为V22＝μ0Aeff(-H22I+H0)/(RC)；
所述平面线圈传感器的输出为V21-V22＝μ0Aeff(H21+H22)I/(RC)，
其中，μ0为真空磁导率，Aeff为平面线圈包围的有效面积，R为所述积分电阻的电阻值，C为所述积分电容的电容值。
10.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，
所述霍尔传感器和平面线圈传感器集成在同一芯片上。
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