CN115267290A - 阵列式电流传感器 - Google Patents

Abstract

阵列式电流传感器，包括：圆环形的外壳，被测导体穿过所述外壳；多个单点闭环磁传感单元，所述单点闭环磁传感单元沿圆周分布，并设置于所述外壳内，所述单点闭环磁传感单元包括反馈螺线管、设置于所述反馈螺线管内中心位置的磁传感芯片以及与所述磁传感芯片电连接的反馈驱动电路，所述反馈驱动电路用于使所述反馈螺线管产生反馈磁场，使所述磁传感芯片处于零磁通状态；与所述单点闭环磁传感单元电连接的信号处理单元，所述信号处理单元对所述单点闭环磁传感单元的输出进行求和后输出测量结果。本发明的单点闭环磁传感单元各自使用零磁通闭环的方式调试，一致性较高、线性度好，保证了传感器的可靠性和稳定性。

Description

阵列式电流传感器

技术领域

本发明属于电流测量技术领域，尤其涉及一种阵列式电流传感器。

背景技术

输电线路和变电线路中常常需要进行大电流测量，目前用于大电流测量的传感器有罗科夫斯基线圈、大容量互感器、大电流分流器、基于电磁效应的电流传感器以及零磁通闭环电流传感器等。其中，罗科夫斯基线圈具有低功耗、抗饱和能力强的优点，且高频响应优秀，对高频电流信号测量具有不可比拟的优势，但是其在低频测量领域，尤其是直流测量领域并不适用。大电流分流器由锰铜材质制成，自身易发热，温度稳定性较差，对环境温度要求较高，耐久性不足，成本高，一般只作为实验室的标准器使用，难以满足工业使用需求。基于电磁效应的电流传感器由于使用了铁芯，在实际使用中存在磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、体积大重量大、成本高和安装不便等方面的问题。零磁通闭环电流传感器，虽然能满足测量交直流需求，精度也比较高，但是受其原理限制，要求一次安匝数与二次安匝数相等，导致大电流测量时功耗较大。

为了克服以上电流传感器存在的不足，出现了基于磁传感芯片的阵列式传感器，如申请号为2021115081073的中国发明专利申请公开的无磁芯电流传感器以及申请号为2021110177366的中国发明专利申请公开的隧道磁电阻环形阵列电流传感器。2021115081073号中国发明专利申请公开的无磁芯电流传感器包括圆环形印刷电路板和六个磁传感器，六个磁传感器均匀安装在圆环形印刷电路板上，磁传感器对穿过圆环中心的被测导体上电流的磁场进行感应，通过对各磁传感芯片的输出求和来进行电流的测量。但该电流传感器中的磁传感芯片不存在反馈，磁传感芯片的线性度不足，从而导致整个电流传感器也存在线性度不足的问题，而且磁传感芯片工作在较宽的磁场区间，加大电流后存在明显的磁滞。

2021110177366号中国发明专利申请公开的隧道磁电阻环形阵列电流传感器包括由多个隧道磁电阻传感芯片组成的环形阵列，隧道磁电阻传感芯片设置于结构体上，同时还设置有套设于结构体上的补偿绕组。当被测导体流过被测电流时，信号处理单元根据隧道磁电阻传感芯片获取的电压测量值，生成反馈电流，反馈电流在补偿绕组内流过，使补偿绕组生成补偿磁场，被测电流在目标导体内流过生成的主导磁场和补偿磁场叠加后，使得隧道磁电阻传感芯片所在位置处于零磁通状态附近。由于有了反馈，虽然理论上隧道磁电阻传感芯片在零磁通状态下可以保证线性度和减小磁滞，但该电流传感器中的补偿绕组是绕在整个结构体上，用同一个补偿绕组对各个不同位置处的隧道磁电阻传感芯片进行反馈，实际应用中由于存在各种误差，如被测导体不一定能正好位于结构体的圆心处而是偏心或倾斜放置，电流密度不均等，都会导致各隧道磁电阻传感芯片工作的磁场不同而反馈却相同，从而不能达到实际上的零磁通，不具有实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性好、精度高的阵列式电流传感器。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

阵列式电流传感器，包括：圆环形的外壳，被测导体穿过所述外壳；多个单点闭环磁传感单元，所述单点闭环磁传感单元沿圆周分布，并设置于所述外壳内，所述单点闭环磁传感单元包括反馈螺线管、设置于所述反馈螺线管内中心位置的磁传感芯片以及与所述磁传感芯片电连接的反馈驱动电路，所述反馈驱动电路用于使所述反馈螺线管产生反馈磁场，使所述磁传感芯片处于零磁通状态；与所述单点闭环磁传感单元电连接的信号处理单元，所述信号处理单元对所述单点闭环磁传感单元的输出进行求和后输出测量结果。

进一步的，所述反馈螺线管包括中空管状的绕线骨架以及绕制在所述绕线骨架上的反馈线圈，所述磁传感芯片设置于所述绕线骨架内的中心位置。

进一步的，所述单点闭环磁传感单元还包括电路板，所述电路板穿过所述绕线骨架，和所述绕线骨架相固定，所述磁传感芯片和所述反馈驱动电路设置于所述电路板上。

进一步的，所述反馈驱动电路包括误差放大器及二次采样电阻所述磁传感芯片的信号输出端和所述误差放大器的输入端和相连，所述误差放大器的输出端和所述反馈线圈的一端相连，所述反馈线圈的另一端和所述二次采样电阻相连，所述二次采样电阻的另一端和参考地相连。

进一步的，所述磁传感芯片的磁敏感方向与所述反馈螺线管中心的反馈磁场的方向平行。

进一步的，所有所述单点闭环磁传感单元的磁敏感方向位于同一水平面。

进一步的，所述磁传感芯片为TMR单元或AMR单元或GMR单元。

进一步的，所述信号处理单元包括求和电路、与所述求和电路相连的增益及相位调节电路及调零电路，所述求和电路和所述单点闭环次传感单元相连，所述增益及相位调节电路的输入端和所述求和电路的输出端及所述调零电路的输出端相连。

进一步的，求和电路为多通道线性求和电路。

进一步的，所述增益及相位调节电路为全通滤波器。

由以上技术方案可知，本发明在各单点闭环磁传感单元中，对其中的磁传感芯片引入反馈形成单点零磁通，使每个单点闭环磁传感单元具有各自独立的反馈，从而每个单点闭环磁传感器单元的线性度都得到了保证，每个单点闭环磁传感单元相互独立，反馈螺线管的一致性容易控制，从而各单点闭环磁传感单元的一致性高，而且闭环状态下的磁传感芯片工作在磁场为零的点，可以避免产生大的磁滞，有效提高了电流传感器整体的测量精度及测量可靠性。此外，本发明的单点闭环磁传感单元相互独立，对安装的要求相对较低，只需固定在同一个圆上即可，被测导体偏心不会导致非线性，对磁传感芯片一致性要求相对较低，从而有利于降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例电流传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例电流传感器的局部结构示意图；

图3为本发明实施例螺线管的结构示意图。

图4为本发明实施例反馈驱动电路的电路图；

图5为本发明实施例信号处理单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本实施例的阵列式电流传感器包括圆环形的外壳1、单点闭环磁传感单元2及信号处理单元。为了便于显示传感器的内部结构，图1所示为将外壳的盖板去除的示意图。外壳1为圆环形，测量时被测导体可穿过外壳1。在外壳1内设置有多个单点闭环磁传感单元2，单点闭环磁传感单元2沿圆周间隔设置。本实施例在外壳1内设置有多个沿圆周间隔布置的安装槽位1a，每一个安装槽位1a用于固定一个单点闭环磁传感单元2，使所有单点闭环磁传感单元2位于同一圆周上，也使得所有单点闭环磁传感单元2的磁敏感方向位于同一水平面上。本实施例将单点闭环磁传感单元2沿圆周均匀间隔布置，可以通过单点闭环磁传感单元的对称性分布实现最小的偏心，在其他的实施例中，单点闭环磁传感单元2只要分布在圆周上即可，不一定要均匀间隔布置，是否均匀间隔布置不影响单点闭环磁传感单元2的线性度。单点闭环磁传感单元2可以通过卡扣的方式安装在安装槽位1a上，也可以采用螺钉等螺纹紧固件或胶粘等方式固定在外壳1内。外壳1由绝缘材料制成，如尼龙等。在外壳1内还设置有一屏蔽壳(未图示)，屏蔽壳接地，并罩在单点闭环磁传感单元2外，用于屏蔽电场信号，避免对电场信号对传感器造成干扰。屏蔽壳采用高磁导率的材料制成，如可采用硅钢、坡莫合金等制成，由于坡莫合金具有极高磁导率低磁滞的特点，因此优选采用坡莫合金，对于强磁场，可采用饱和磁感应强度高的硅钢。此外，屏蔽壳还可以起到均压的作用，满足高压端电流应用需求。

如图2、图3和图4所示，本实施例的单点闭环磁传感单元2包括反馈螺线管2-1、电路板2-2、磁传感芯片2-3及反馈驱动电路。磁传感芯片2-3可采用TMR芯片或GMR芯片或AMR芯片。反馈螺线管2-1包括中空管状的绕线骨架2-1a以及紧密绕制在绕线骨架2-1a上的反馈线圈2-1b。电路板2-2穿过绕线骨架2-1a，和绕线骨架2-1a固定在一起，磁传感芯片2-3及反馈驱动电路设置于电路板2-2上，磁传感芯片2-3位于反馈螺线管2-1(绕线骨架2-1a)内的中心位置，磁传感芯片2-3的磁敏感方向与反馈螺线管2-1中心的反馈磁场的方向平行，且磁传感芯片2-3的磁敏感方向和其所在位置处切线平行。绕线骨架2-1a可采用低膨胀系数的绝缘材料制成。由于反馈线圈2-1b紧密绕制在绕线骨架2-1a外，当反馈线圈2-1b内通过电流时，电流在反馈螺线管2-1(绕线骨架2-1a)内中心位置能够形成相对均匀的磁场，磁场的强度均匀且方向性好，从而可以保证每个位于反馈螺线管2-1内的磁传感芯片2-3都处于相同的磁场下，从而保证单点闭环磁敏感单元2的线性度，克服了现有阵列式电流传感器多个磁传感芯片共用一个大的反馈线圈而存在的被测导体偏心使得被测导体在每个磁传感芯片处产生的磁场不同，反馈线圈无法使每个磁传感芯片工作在相同磁场下而导致的测量非线性的问题，提高了单点闭环磁传感芯片的测量可靠性。

如图4所示，本实施例的反馈驱动电路包括误差放大器U1和二次采样电阻R，磁传感芯片2-3的信号输出端和误差放大器U1的输入端和相连，误差放大器U1的输出端和反馈线圈2-1b的一端相连，反馈线圈2-1b的另一端和二次采样电阻R相连，二次采样电阻R的另一端和参考地相连，该参考地由误差放大器U1产生。由于磁传感芯片内部为惠斯通电桥结构，所以误差放大器U1为差分输入方式，误差放大器U1通过积分的方式将磁传感芯片2-3的输出变化量接近无限放大后，输出至反馈线圈2-1b，反馈线圈2-1b和误差放大器U1之间接有二次采样电阻R，误差放大后的输出电压经二次采样电阻R及反馈线圈2-1b的电阻转化为反馈电流后，反馈得到磁传感芯片2-3所在位置的反馈磁场，二次采样电阻R两端压降间接反应反馈电流的大小。通过磁传感芯片2-3、反馈螺线管2-1及反馈驱动电路使得磁传感芯片2-3所在位置为零磁通闭环，即磁传感芯片2-3处磁场为零，被测磁场及反馈磁场在磁传感芯片2-3所在位置处相等，反馈电流与被测磁场成固定常数关系，从而单点闭环磁传感单元对被测磁场具有良好得线性关系。而且，本发明的单点闭环磁传感单元的线性关系与磁传感芯片本身的线性度及一致性无关，仅与反馈线圈的绕制方式及匝数有关，相比于磁传感芯片的误差控制，反馈线圈绕制匝数误差容易控制到1匝以内，可忽略不计，各反馈螺线管内部磁场与通过电流值(反馈电流)之比的差值小于0.1％，一致性好，可认为每个单点闭环单元对磁场灵敏度一致，从而可以降低对磁传感芯片一致性的要求，而且由于零磁通闭环的存在，单点闭环磁敏感单元2的线性度优于0.01％。

信号处理单元和各单点闭环磁传感单元2相连，对每个单点闭环磁传感单元2的输出进行处理。本发明的信号处理单元的结构及作用和现有阵列式电流传感器中的信号处理单元的结构及作用基本相同，均是对各路磁传感芯片的输出求和，并进行相应的增益及相位调节后，输出测量结果。如图5所示，本实施例的信号处理单元包括求和电路、增益及相位调节电路和调零电路，其中，求和电路和增益及相位调节电路依次连接，各单点闭环磁传感单元2向求和电路输出各自的结果，求和电路对各单点闭环磁传感单元2的输出进行求和。本实施例中在壳体1内设置了16个单点闭环磁传感单元2，求和电路为16路线性求和电路，求和电路各输入端的放大倍数相同。调零电路设置于求和电路和增益及相位调节电路之间，用于调节传感器本身失调电压，使传感器输入为零时输出为零或固定偏置，调零电路和常规的调零电路相同。增益及相位调节电路的输入端和求和电路的输出端及调零电路的输出端相连，可调节放大倍数及各频率相移，以获得所需的比差及相差，增益及相位调节电路可为全通滤波器，用于矫正最终输出的标度及相差。

本实发明通过使用单点闭环磁传感单元组成阵列式TMR传感器，单点闭环磁传感单元通过引出供电线及输出信号线统一供电及采集输出信号，单点闭环的结构使每个单点闭环磁传感单元具有各自独立的反馈，提高了单点闭环磁传感单元的一致性和线性度，从而提高了传感器的整体精度和可靠性，而且器件体积小巧、宽带宽、功耗低、抗干扰能力强，尤其适用于高压大电流测量以及交直流测量等应用场景中，具有很好的实用性。本发明每个单点闭环单元相互独立，方便按倍数增加，选择相应的数量，无需重新设计，有利于控制生产成本。磁传感芯片越多时，偏心影响越小，当磁传感芯片的数量到16PCS时可保证偏心影响在0.2％以下。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.阵列式电流传感器，其特征在于，包括：

圆环形的外壳；

多个单点闭环磁传感单元，所述单点闭环磁传感单元沿圆周分布，并设置于所述外壳内，所述单点闭环磁传感单元包括反馈螺线管、设置于所述反馈螺线管内中心位置的磁传感芯片以及与所述磁传感芯片电连接的反馈驱动电路，所述反馈驱动电路用于使所述反馈螺线管产生反馈磁场，使所述磁传感芯片处于零磁通状态；

与所述单点闭环磁传感单元电连接的信号处理单元，所述信号处理单元对所述单点闭环磁传感单元的输出进行求和后输出测量结果。

2.如权利要求1所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所述反馈螺线管包括中空管状的绕线骨架以及绕制在所述绕线骨架上的反馈线圈，所述磁传感芯片设置于所述绕线骨架内的中心位置。

3.如权利要求2所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所述单点闭环磁传感单元还包括电路板，所述电路板穿过所述绕线骨架，和所述绕线骨架相固定，所述磁传感芯片和所述反馈驱动电路设置于所述电路板上。

4.如权利要求2所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所述反馈驱动电路包括误差放大器及二次采样电阻，所述磁传感芯片的信号输出端和所述误差放大器的输入端和相连，所述误差放大器的输出端和所述反馈线圈的一端相连，所述反馈线圈的另一端和所述二次采样电阻相连，所述二次采样电阻的另一端和参考地相连。

5.如权利要求1所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所述磁传感芯片的磁敏感方向与所述反馈螺线管中心的反馈磁场的方向平行。

6.如权利要求1所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所有所述单点闭环磁传感单元的磁敏感方向位于同一水平面。

7.如权利要求1所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所述磁传感芯片为TMR单元或AMR单元或GMR单元。

8.如权利要求1所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所述信号处理单元包括求和电路、与所述求和电路相连的增益及相位调节电路及调零电路，所述求和电路和所述单点闭环次传感单元相连，所述增益及相位调节电路的输入端和所述求和电路的输出端及所述调零电路的输出端相连。

9.如权利要求8所述的阵列式电流传感器，其特征在于：求和电路为多通道线性求和电路。

10.如权利要求8所述的阵列式电流传感器，其特征在于：所述增益及相位调节电路为全通滤波器。

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