CN205941659U - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器领域，特别涉及一种集成式的电流传感器，包括两个磁电阻或四个磁电阻以及导线，所述两个磁电阻或四个磁电阻位于导线附近，所述两个磁电阻构成一个半桥，或所述四个磁电阻构成一个全桥，磁电阻由一个磁电阻元件或由多个磁电阻元件并联和/或串联组成，磁电阻元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件，由于没有磁芯结构，同时采用微米、纳米级别尺寸的各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件，因此该电流传感器的尺寸非常小，同时大大降低了成本；由于采用半桥或全桥的电桥结构，因此抗干扰能力强。

Description

电流传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，特别涉及一种集成式的电流传感器。

背景技术

电流传感器广泛应用于新能源、智能交通、工业控制、智能家电以及智能电网等领域。常用的电流传感器以霍尔元件或电感线圈为敏感元件，分为开环式和闭环式两大类。开环式电流传感器是在被测导线周围设置一个带气隙的磁芯，磁性传感单元位于气隙中，由于电磁感应定律，磁芯产生感生电势，磁性传感单元可测量磁芯气隙处的磁场，后端可根据磁性传感单元的输出信号计算出被测电流的大小。

开环式电流传感的工作方式为直接测量磁场，因此在大电流作用下，磁芯的会出现磁滞和饱和，影响测量精度。为了克服上述问题，本领域技术人员采用闭环式电流传感器测量电流。和开环式电流传感器不同的是，闭环式电流传感器的磁芯上缠绕有补偿线圈，补偿线圈和磁性传感单元电连接，补偿线圈由磁性传感单元的输出电压供电，用以补偿被测电流产生的磁场，当达到磁平衡时，补偿电流产生的磁场和被测电流产生的磁场大致相同，因此磁芯通常工作在无磁通或磁通量很小的环境下，可以克服磁滞和饱和现象。后端可通过直接测量补偿线圈的电流大小计算出被测电流大小。

但是传统的采用霍尔元件或电感线圈元件为敏感元件的闭环式电流传感器仍然存在如下缺陷：

由于磁芯和线圈的尺寸较大，整个电流传感器的尺寸也较大，同时，由于磁芯价格较高，因此包含磁芯的电流传感器的制作成本很高；另外，通常霍尔元件或电感线圈只采用一个敏感元件，因此对外磁场的抗干扰能力较差。

实用新型内容

本实用新型旨在提出一种尺寸小、成本低、对外磁场抗干扰能力强的电流传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电流传感器，包括两个磁电阻或四个磁电阻以及导线，所述两个磁电阻或四个磁电阻位于导线附近，所述两个磁电阻构成一个半桥，或所述四个磁电阻构成一个全桥，磁电阻由一个磁电阻元件或由多个磁电阻元件并联和/或串联组成，磁电阻元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

有益效果：由于没有磁芯结构，同时采用微米、纳米级别尺寸的各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件，因此该电流传感器的尺寸非常小，同时大大降低了成本；由于采用半桥或全桥的电桥结构，因此抗干扰能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1是本实用新型实施例一的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一的两个磁电阻电连接示意图；

图4是本实用新型实施例二的四个磁电阻电连接示意图；

图5是半桥式电流传感器的输出示意图；

图6是全桥式电流传感器的输出示意图；

图7是多个磁电阻元件串联成一个磁电阻的一种电连接示意图；

图8是多个磁电阻元件并联成一个磁电阻的一种电连接示意图；

图9是多个磁电阻元件串并混联成一个磁电阻的一种电连接示意图；

图10是多个磁电阻元件串并混联成一个磁电阻的另一种电连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例的电流传感器包括第一磁电阻11、第二磁电阻12、印刷电路板15以及导线16。第一磁电阻11和第二磁电阻12的物理性质相同，第一磁电阻11和第二磁电阻12位于印刷线路板15的一侧，而导线16则位于印刷线路板的另一侧。该实施例中，被测电流I_IN通过U形导线16引入该电流传感器中，第一磁电阻11和第二磁电阻12隔着印刷电路板15分别位于U形导线16两臂上方，由于通电导线16周围产生磁场，U形导线16两臂的磁场分别对第一磁电阻11和第二磁电阻12产生作用，进而使第一磁电阻11和第二磁电阻12的阻值发生相应的变化，从而产生输出电压V_OUT。后端可通过输出电压计算出磁场值，由于第一磁电阻11、第二磁电阻12和导线16的位置是固定的，进而最终可以计算出被测电流I_IN的值。

图3是实施例一的第一磁电阻11和第二磁电阻12的电连接示意图。如图所示，第一磁电阻11和第二磁电阻12串联组成一个半桥，两个端口22和24之间通入驱动电压，24为一个输出端口，另一个输出端口可以是22也可以是24。由于磁电阻的阻值随外场线性变化，同时U形导线16的两臂的电流方向相反，值相等，因此位于U形导线16两臂上方的第一磁电阻11和第二磁电阻12的阻值发生相反的变化，一个磁电阻阻值增加的同时另一个磁电阻阻值减小，进而导致一个磁电阻两端电压的变化，该电压即为输出电压V_OUT。实施例一的输出电压曲线图如图5所示。

实施例二：

如图1所示，本实施例的电流传感器包括第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13、第四磁电阻14、印刷电路板15以及导线16。第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13以及第四磁电阻14的物理性质相同，四个磁电阻位于印刷线路板15的一侧，而导线16则位于印刷线路板的另一侧。该实施例中，被测电流I_IN通过U形导线16引入该电流传感器中，第一磁电阻11和第三磁电阻13隔着印刷电路板15分别位于U形导线16左臂上方，第二磁电阻12和第四磁电阻14隔着印刷电路板15分别位于U形导线16右臂上方，由于通电导线16周围产生磁场，U形导线16两臂的磁场分别对第一磁电阻11、第三磁电阻13以及第二磁电阻12、第四磁电阻14产生作用，进而使四个磁电阻的阻值发生相应的变化，从而产生输出电压V_OUT。后端可通过输出电压计算出磁场值，由于两个磁电阻和导线16的位置是固定的，进而最终可以计算出被测电流I_IN的值。

图4是实施例二的四个磁电阻的电连接示意图。如图所示，第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13以及第四磁电阻14组成一个全桥，两个端口25和26之间通入驱动电压，27和28为输出端口。由于磁电阻的阻值随外场线性变化，同时U形导线16的两臂的电流方向相反、值相等，因此位于U形导线16两臂上方的第一磁电阻11和第二磁电阻12的阻值发生相反的变化，同理，第三磁电阻13和第四磁电阻14的阻值也发生相反的变化，一个磁电阻阻值增加的同时另一个磁电阻阻值减小，同时，位于U形导线16左臂的第一磁电阻11和第三磁电阻13的阻值变化相同，位于U形导线16右臂的第二磁电阻12和第四磁电阻14的阻值变化相同，因此电桥的两个输出端口27和28之间产生输出电压V_OUT。实施例二的输出电压曲线图如图6所示。

上述实施例中，导线16为U形，多个磁电阻分别位于U形两臂上方，这只是导线16的一种形状，其还可以是长直形，半桥或全桥型磁电阻组合隔着印刷电路板15位于长直形导线16的上方，两个磁电阻组成的半桥可以是推挽半桥，也可以是参考半桥或梯度半桥；四个磁电阻组成的全桥可以是推挽全桥，也可以是参考全桥或梯度全桥。

以图4的全桥结构为例，可以设置第一磁电阻11和第三磁电阻13的磁场敏感方向相同，第二磁电阻12和第四磁电阻14的磁场敏感方向相同，第一磁电阻11和第二磁电阻12的磁场敏感方向相反，当位于该电桥的正下方的直导线16通入被测电流I_IN时，其周围产生的磁场可以使端口27和28之间产生输出电压。

若将图4的全桥结构中第一磁电阻11和第三磁电阻13设置为随磁场变化不灵敏的磁电阻(例如在磁电阻上覆盖屏蔽层，或沉积反铁磁层或设置永磁层)，当位于该电桥的正下方的直导线16通入被测电流I_IN时，第一磁电阻11和第三磁电阻13的阻值不变，第二磁电阻12和第四磁电阻14的阻值变化相同，因此端口27和28之间产生输出电压。

若图4的全桥结构中第一磁电阻11和第三磁电阻13更靠近直导线16，第二磁电阻12和第四磁电阻14更远离直导线16，当位于该电桥的正下方的直导线16通入被测电流I_IN时，第一磁电阻11和第三磁电阻13的阻值变化相同，第二磁电阻12和第四磁电阻14的阻值变化相同，同时，第一磁电阻11和第二磁电阻12的阻值变化不同，第三磁电阻13和第四磁电阻14的阻值变化不同，因此端口27和28之间产生输出电压。

由于半桥结构相对简单，推挽半桥、参考半桥以及梯度半桥的工作原理可参考上述全桥结构测量直导线16。

上述实施例中，第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13、第四磁电阻14以及导线16位于印刷电路板15上，在实际应用，第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13、第四磁电阻14以及导线16可封装在一个外壳中，或固定在一个骨架上，或采用点胶的方式固定。

上述实施例中，磁电阻由一个磁性传感元件构成，或由两个以上的磁性传感元件并联和/或串联构成。将多个磁性传感元件串联和/或并联的有益效果是可以通过预先设置磁性传感元件的个数来解决磁性传感元件在纳米加工或微加工中的一致性问题，同时还可以降低磁性传感元件的电子遂穿几率，提高其静电防护能力。

图7-图10列出了几种磁电阻元件连接的方式。图7-图10给出的连接方式仅为参考，实际应用中可根据需求进行设置。

图7是典型的多个磁电阻元件31串联构成一个磁电阻的电连接图，磁性隧道结元件多采用这种方式连接。

图8是典型的多个磁电阻元件31并联构成一个磁电阻的电连接图，巨磁电阻元件多采用这种方式连接。

图9是多个磁电阻元件31串联后再并联构成一个磁电阻的电连接图。

图10是多个磁电阻元件31串并混联构成一个磁电阻的电连接图。

上述实施例中，磁性传感元件包括各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。上述磁电阻元件由于灵敏度高、精度高、体积小(微米、纳米级)、温漂性能好，因此采用上述磁电阻元件的电流传感器可以实现小体积集成化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.电流传感器，其特征在于：包括两个磁电阻或四个磁电阻以及导线，所述两个磁电阻或四个磁电阻位于导线附近，所述两个磁电阻构成一个半桥，或所述四个磁电阻构成一个全桥，磁电阻由一个磁电阻元件或由多个磁电阻元件并联和/或串联组成，磁电阻元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：还包括运算放大器，所述运算放大器与所述两个磁电阻构成的半桥电连接，或所述运算放大器与所述四个磁电阻构成的全桥电连接。

3.如权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于：还包括印刷电路板，所述两个磁电阻或四个磁电阻以及所述导线设置于所述印刷电路板上，所述两个磁电阻或四个磁电阻与所述导线分别位于印刷电路板的两侧。

4.如权利要求3所述的电流传感器，其特征在于：所述导线为U形，U形具有左右臂，所述两个磁电阻分别位于所述导线的左右臂上方，或所述四个磁电阻中的其中两个磁电阻位于所述导线的左臂上方、另外两个磁电阻位于所述导线的右臂上方。

5.如权利要求4所述的电流传感器，其特征在于：所述两个磁电阻的磁场敏感方向相同，或所述四个磁电阻的磁场敏感方向相同。

6.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述磁电阻由多个磁电阻元件并联和/或串联组成，所述多个磁电阻元件的磁场敏感方向相同。