CN201444169U - 差分式霍尔组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种差分式霍尔组件，由两个相同的线性霍尔元件构成，两个线性霍尔元件字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；两个线性霍尔元件的正极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的正极输入端，两个线性霍尔元件的负极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的负极输入端，两个线性霍尔元件的两个信号输出端作为差分式霍尔组件的差分信号输出端。差分式电压输出不仅能够抑制共模干扰和零点温漂，还能直接与仪表放大器接口，便于二次开发。霍尔组件仅由两片霍尔元件构成，可取代电流传感器的霍尔元件，省掉复杂的补偿措施，直接实现待测电流与输出电压的线性变换。

Description

差分式霍尔组件

技术领域

本实用新型属传感技术与测量技术领域，具体涉及一种差分式霍尔组件，主要用于磁场检测和电流测量，可用于设计新型电流传感器。

背景技术

传统的电流传感器一般采用铁磁体与单一线性霍尔元件(简称霍尔元件)设计，因温度变化影响霍尔元件的电压输出，电流传感器需要进行复杂的温度补偿和线性校正。补偿措施和线性校正的方法很多，归纳起来大致分为电路补偿、软件补偿和多传感器融合技术补偿。这些技术方法虽一定程度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。

中国发明专利CN02146994.6中公开了一种电流传感器组件，是将磁场检测器与机械结构部分组成传感器组件，未涉及霍尔组件技术。专利号为99237327.1，名称为“用于霍尔直测式电流传感器的霍尔组件”的中国实用新型专利，则是在霍尔片的激励端串接二极管，二极管和霍尔片封装成一体构成霍尔组件，采用二极管对霍尔片进行温度漂移补偿。有关霍尔式电流传感器技术的专利和实用新型专利还有很多，但均未涉及差分式霍尔组件技术，亦未利用霍尔元件自身输出特性进行温度补偿。

电路补偿技术一般用温度敏感器件取样环境温度，通过信号处理电路进行温度补偿和线性校正。对于不同类型的半导体器件，温度特性很难保证一致性，可能造成补偿不足或过补偿，虽改善了传感器的测量精度，但同时也引入了与被测电流无关的干扰信号。

软件补偿法是通过应用软件对传感器进行温度补偿和线性校正，省掉了电路补偿，但软件补偿具有针对性，对电流传感器的一致性要求高，难以保证统一。传感器本身不具补偿功能，不具通用性。

多传感器融合技术补偿法更为复杂，通过电流传感器与温度传感器联合工作，获取电流和温度信息，由应用软件进行数值融合，对测量数据进行实时修正而得到补偿；也具有软件补偿的缺点。

上述补偿方法复杂而难以保证测量精度。发明一种差分式霍尔组件，能够从信号源头上抑制温度漂移和共模干扰，实现待测电流与信号电压的线性化转换，省掉复杂的补偿和校正措施，替代单一霍尔元件直接应用于电流传感器设计，简化设计、降低成本，提高电流传感器的线性度和测量精度，具有重要的应用价值。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种差分式霍尔组件，能够从信号源头上抑制温度漂移和共模干扰，实现待测电流与信号电压的线性化转换，省掉复杂的补偿和校正措施，替代单一线性霍尔元件直接应用于电流传感器设计，简化设计、降低成本，提高电流传感器的线性度和测量精度。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种如下结构的差分式霍尔组件，其结构特点在于：该霍尔组件由两个结构型号相同的线性霍尔元件构成，两个线性霍尔元件字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；两个线性霍尔元件的正极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的正极输入端，两个线性霍尔元件的负极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的负极输入端，两个线性霍尔元件的两个信号输出端作为差分式霍尔组件的差分信号输出端。

差分式霍尔组件中的两个线性霍尔元件以差分的方式输出信号电压，差分式霍尔组件自身能够抑制共模信号和温度漂移，具有自补偿与线性校正的特点，改善了输出线性度；组件输出电压是一个霍尔元件输出电压的两倍，提高了输出信号幅度。差分式电压输出不仅能够抑制共模干扰和零点温漂，还能直接与仪表放大器接口，便于二次开发。霍尔组件仅由两片霍尔元件构成，可取代电流传感器的霍尔元件，省掉复杂的补偿措施，直接实现待测电流与输出电压的线性变换。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明：

图1是差分式霍尔组件结构原理，图中：10为线性霍尔组件，11为第一线性霍尔元件，12为第二线性霍尔元件，法向矢量n表示第一线性霍尔元件和第二线性霍尔元件的字符标志面的方向，两线性霍尔元件表面上的数字1、2、3为引脚序号。两线性霍尔元件的1脚相连为与电源正极的连接端，定义为V_C；2脚相连为与电源负极的连接端，定义为V_S；第一线性霍尔元件的信号输出端定义为U₁；第二线性霍尔元件的信号输出端定义为U₂。

图2是差分式霍尔组件电路原理图，图中：10代表差分式霍尔组件；V_C接工作电源正极；V_S接工作电源负极。差分式霍尔组件输出的信号电压分别定义为U₁、U₂；差分式霍尔组件输出的电压差定义为u。矢量B表示作用差分式霍尔组件的磁感应强度，矢量n表示两线性霍尔元件字符标志面方向相反。

图3是差分式霍尔组件在电流传感器应用的原理图，用来补充说明差分式霍尔组件具有电流测量的功能。图中：31为通电导线，待测电流强度为I，32为C型磁芯；10为差分式霍尔组件，矢量B表示作用于差分式霍尔组件的磁感应强度；V_C接工作电源正极，V_S接工作电源负极；差分式霍尔组件两独立输出端的信号电压分别为U₁、U₂。

图4是差分式霍尔组件与测量放大器接口原理图，用来补充说明霍尔组件差分式输出的优点。图中10为差分式霍尔组件，41为低漂移精密仪表放大器，42为增益调整电位器，43为零点调整电位器，差分式霍尔组件10输出差分信号通过双绞线44与低漂移精密仪表放大器的差分输入端连接，U为通电导线31的输出；+Ver为正基准电源，-Ver为负基准电源；V_C为电路工作电源正极，V_S为工作电源负极。

具体实施方式

如图1所示，差分式霍尔组件10由第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12构成，第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12结构型号相同，第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的正极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的正极输入端V_C，第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的负极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的负极输入端V_S，第一线性霍尔元件11的信号输出端U₁和第二线性霍尔元件12的信号输出端U₂作为差分式霍尔组件10的差分信号输出端。

1、线性霍尔元件的输出特性

线性霍尔元件主要由电压调整器，霍尔电压发生器组成，输出电压与磁感应强度B成正比。理想静态(B＝0mT，V_C＝5V)输出电压U₀为0V或等于常数2500mV。S磁极作用线性霍尔元件字符标志面时，输出电压高于U₀；N磁极作用线性霍尔元件标志面时输出电压低于U₀。设线性霍尔元件的霍尔电压系数为K_H，根据霍尔效应和线性霍尔元件的设计特点，线性霍尔元件输出特性可表示为：

磁感应强度B方向与标志面相反时    U＝U₀+K_HB        (1)

磁感应强度B方向与标志面相同时    U＝U₀-K_HB        (2)

(1)式和(2)式中K_HB为霍尔电压，U₀为静态电压。当温度变化时，线性霍尔元件的静态输出电压将随之变化，设温度引起的温漂电压为U_t，式(1)、式(2)可修正为：

B方向与标志面相反时              U＝U₀+U_t+K_HB     (3)

B方向与标志面相同时              U＝U₀+U_t-K_HB     (4)

(3)式和(4)式表明，对同一线性霍尔元件改变磁场方向，或两个相同性质的线性霍尔元件标志面相反处在相同磁场中，静态电压和温漂电压极性不随磁场变化，霍尔电压的极性相反，即信号电压具有互补特点。

2、差分式霍尔组件的输出特性

参见附图1，法向矢量n表示第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的字符标志面的方向。

设作用于第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的有效磁感应强度为B，第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的电压系数为K_H，考虑霍尔元件的静态输出的差异，第一线性霍尔元件11的静态输出电压为U₀₁，第二线性霍尔元件12的静态输出电压为U₀₂，第一线性霍尔元件11的温漂电压为U_1t，第二线性霍尔元件12的温漂电压为U_2t，因第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的标志面方向相反，霍尔组件两信号输出端的电压方程分别为：

U₁＝(U₀₁+U_1t)+K_HB            (5)

U₂＝(U₀₂+U_2t)-K_HB            (6)

理想情况下U₀₁≈U₀₂＝C，C为常数。对同类型线性霍尔元件，温度影响的规律应基本一致，即U_1t≈U_2t。一般地，温度变化相对缓慢，U_1t、U_2t可视为直流信号。式(5)、式(6)表明，与温度相关静态输出电压为共模电压信号，与磁场相关的霍尔电压为差模信号，霍尔组件输出电压包含共模信号和差模信号成分。

3、差分式霍尔组件测量原理

附图2为差分式霍尔组件电路原理图，10为霍尔组件，分析式(5)、式(6)可知，每一线性霍尔元件的输出信号均包含静态电压U₀、温漂电压U_t和霍尔电压K_HB。U₀、U_t属共模干扰信号，显然，单一霍尔元件难以抑制共模干扰和温度漂移，这也是经典霍尔式电流传感器必须进行温度补偿的主要原因。

若将第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的输出电压之差U＝U₁-U₂作为霍尔组件信号输出，即互补结构的霍尔组件以差分式输出，由式(5)、式(6)得：

    u＝(U₀₁-U₀₂)+(U_1t-U_2t)+2K_HB    (7)

若令ΔU₀＝U₀₁-U₀₂，ΔU_t＝U_1t-U_2t

式(7)可改写为  u＝ΔU₀+ΔU_t+2K_HB    (8)

选择同类型的两个线性霍尔元件，可使ΔU₀＝U₀₁-U₀₂＝C，ΔU_t＝U_1t-U_2t≈0，式(8)可近似为：

u＝C+2K_HB                    (9)

式(9)中C为两线性霍尔元件静态输出差异产生的常数，C值理论上接近为0mV。差分结果表明，霍尔组件的互补式设计，减小了直流电压分量，增大了信号电压幅值。差分式电压输出，抑制了共模干扰和温度漂移，改善了线性霍尔组件的稳定性和线性度，具有自补偿和线性校正的特征。因此，互补结构的霍尔组件称为差分式霍尔组件。

4、差分式霍尔组件在电流传感器中的应用

附图3为差分式霍尔组件在电流传感器应用的原理图，设某时刻通电导线31中电流I的方向如图3所示，电流产生的磁场通过C型磁芯32作用差分式霍尔组件10，设磁感应强度为B，方向垂直于差分式霍尔组件10的敏感面向下。由于差分式霍尔组件10厚度很小，即C型磁芯的缺口很窄，差分式霍尔组件10处的磁场可近似为磁感应强度为B处处相等。根据毕-萨定律得：

B＝K_II                             (10)

式中K_I是与磁介质性质相关的常数，将式(10)代入式(9)得：

u＝C+2K_HK_II                        (11)

因K_H、K_I均为常数，令K＝K_HK_I

式(11)改写为u＝C+2KI                (12)

式(12)表明，差分式霍尔组件的输出电压u与I成正比，为线性关系，与温度变化无关。霍尔差分式测量方法抑制了温度漂移对静态输出的影响，可省掉温度补偿措施。另外，输出信号电压是单个线性霍元件输出电压的2倍，提高了传感器的灵敏度，即在相同灵敏条件下，这种方法的磁芯可减少尺寸，有助于传感器的小型化设计。交流电流的磁场会导致电流传感器磁芯温度变化，即差分式霍尔组件的工作温度随环境和电流I的大小而变化。温度的变化会影响霍尔元件的静态输出，产生温度漂移，因此经典的测量方法需要对电流传感器采取复杂的温度补偿和线性校正措施。

5、差分式霍尔组件与仪表放大器的接口电路

差分式霍尔组件的输出信号具有差分特点，可方便与技术成熟的通用仪表放大器接口，构成电路简单的传感器电路。附图4给出了接口电路的原理，图中10代表霍尔组件，41为仪表放大器，例如INA333低漂移精密仪表放大器。电位器42构成增益调整电路，设其阻值为R。电位器43构成调零电路，±Ver为调零基准电压，差分式霍尔组件的信号输出端U₁、U₂通过双绞线44分别与仪表放大器41的差分输入端连接，根据仪表放大器的技术参数，电压增益为：

$K_u=1+\frac{100\mathrm{k\Ω}}{R}---\left(13\right)$

式(13)中R的阻值单位为KΩ，通过调整电位器42的电阻值R的大小，可调整仪表放大器的增益大小。根据式(12)、式(13)，设放大器的输出电压为U，则有：

U＝K_uu

$U=(1+\frac{100\mathrm{k\Ω}}{R})(C+2\mathrm{KI})$

因放大电路设有调零电路，上式可简化为：

$U=2K(1+\frac{100\mathrm{k\Ω}}{R})I---\left(14\right)$

式(14)实现了差分式霍尔组件差分信号的线性放大，仪表放大器具有高性价比、应用方便的优点，根据应用系统的要求，可通过调整电位器42的电阻值，改变仪表放大器的满幅输出标准，满足应用系统的不同需要。

差分式霍尔组件具有价廉、简单、实用的特点；差分式输出具有抑制共模干扰、降低温度漂移、减小静态输出、增大信号幅度的优点，具有温度自补偿与线性校正的特性，可省缺温度补偿措施。差分式输出还能与仪表放大器直接接口，简化电路设计，有利于提高测量系统和信号处理系统的稳定性和测量精度。

Claims (1)

1.一种差分式霍尔组件，其特征是：该霍尔组件由两个结构型号相同的线性霍尔元件构成，两个线性霍尔元件字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；两个线性霍尔元件的正极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的正极输入端，两个线性霍尔元件的负极输入端电连接在一起作为差分式霍尔组件的负极输入端，两个线性霍尔元件的两个信号输出端作为差分式霍尔组件的差分信号输出端。

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