CN208109914U - 圆环电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种圆环电流传感器，其包括载流线圈和检测元件，载流线圈为圆环状，检测元件包括两片结构型号相同的线性霍尔元件，两片线性霍尔元件贴合为一体且同极性敏感面相对设置，两片线性霍尔元件的敏感中心均位于载流线圈圆环的中轴线上且两个敏感中心以圆环的圆心为中心对称分布；两片线性霍尔元件的输出端连接到差分电路并以差分电路的输出作为电流传感器的输出。本实用新型具有结构简单、体积小巧、精度高、灵敏度和线性度好的优点。

Description

圆环电流传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体的说是一种圆环电流传感器。

背景技术

霍尔电流传感器主要分开环霍尔式和闭环霍尔式，其主要构成均包含带气隙的C型铁芯和线性霍尔元件。位于气隙中的线性霍尔元件通过检测铁芯中的磁感应强度以实现电流的测量。在传感器中，铁芯主要用于集磁和屏蔽外磁场，但铁芯的存在也带来两个主要缺点：铁芯的磁滞性必然会影响高频电流的测量；受铁芯尺寸的限制，传感器难以实现小型化设计。另外，环境温度变化时，电流传感器的霍尔元件会产生零点漂移，影响其线性度；霍尔元件还会受电磁辐射干扰和电源纹波干扰使输出电压叠加共模干扰信号。因此，霍尔电流传感器的应用系统需要进行抗干扰滤波、温度补偿和线性校正。

专利文献200810046761.5公开了一种点阵式霍尔电流传感器，其工作原理是：基于长直导线的磁场分布，采用16个霍尔元件设计了点阵式霍尔电流传感器，省掉了铁芯并缩小了传感器尺寸，但检测元件并未处于最大磁场处，灵敏度受到制约；多个霍尔元件输出信号的一致性难以保证，影响传感器的稳定性。

专利号为200920028862.X的实用新型专利中公开了一种差分霍尔组件，其利用差分信号作为输出信号，可有效抑制温度漂移和共模干扰并改善输出特性，能很好的应用于电流传感器中，但其在应用中仍未能摆脱铁芯对电流传感器带来的干扰，导致在实施中存在诸多缺陷。

基于上述问题，本案申请人在差分霍尔组件的基础上，对电流传感器进行进一步改进，研发出一种精度更高、灵敏度和线性度更好且尺寸更小的圆环电流传感器。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、体积小巧、精度高、灵敏度和线性度好的圆环电流传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型圆环电流传感器的结构特点是包括载流线圈和检测元件，载流线圈为圆环状，检测元件包括两片结构型号相同的线性霍尔元件，两片线性霍尔元件贴合为一体且同极性敏感面相对设置，两片线性霍尔元件的敏感中心均位于载流线圈圆环的中轴线上且两个敏感中心以圆环的圆心为中心对称分布；两片线性霍尔元件的输出端连接到差分电路并以差分电路的输出作为电流传感器的输出。

优选的，所述载流线圈为单匝或多匝线圈，线圈的两端分别引出电流进线端子和电流出线端子。

优选的，两片线性霍尔元件的正、负电源端对应连接并引出公共电源正端子和公共电源负端子。

优选的，载流线圈和检测元件经热膜封装在一壳体内，各接线端子分别设置在壳体的两侧。

优选的，所述壳体两侧分别设置四个接线端子，其中一侧设置两个电流进线端子和两个电流出线端子，两个电流进线端子并联，两个电流出线端子并联，另一侧设置公共电源正端子、公共电源负端子、第一输出端子、第二输出端子。

本实用新型的有益效果是：

1)将载流线圈设置为圆环形的形状，在圆环线圈中轴线上的磁感应强度最强，两个线性霍尔元件的敏感中心均位于磁感应强度最强的位置上，也即载流线圈产生的磁场垂直穿过两线性霍尔元件的敏感中心，从而保证了感应信号的强度，两个线性霍尔元件以差分的方式输出信号电压，传感器自身能够抑制共模信号和温度漂移，具有自补偿和校正的特点，改善了输出线性度；

2)传感器输出的信号电压是一个线性霍尔元件输出电压的两倍，提高了输出信号幅度；差分式电压输出能直接与仪表放大器接口，便于应用和二次开发；

3)整个传感器仅由一个圆环状载流线圈和两个线性霍尔元件构成，结构简单、尺寸小、易实现；

4)电流传感器省掉了铁芯和简化了温度补偿措施，具有良好的线性度和较高的灵敏度。

综上所述，本实用新型具有结构简单、体积小巧、精度高、灵敏度和线性度好的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1是圆环电流传感器构成示意图；

图2是检测元件结构和电路连接示意图；

图3是圆环电流传感器检测原理示意图；

图4是圆环电流传感器的封装结构示意图。

具体实施方式

参照附图，本实用新型的圆环电流传感器包括载流线圈1和检测元件2，载流线圈1为圆环状，检测元件2包括结构型号相同的线性霍尔元件11和线性霍尔元件 12，线性霍尔元件11和线性霍尔元件12贴合为一体且同极性敏感面相对设置，线性霍尔元件11和线性霍尔元件12的敏感中心均位于载流线圈1圆环的中轴线上且两个敏感中心O1、O2以圆环的圆心O为中心对称分布；两片线性霍尔元件11、 12的输出端连接到差分电路并以差分电路的输出作为电流传感器的输出。

上述结构中，将载流线圈1设置为圆环形的形状，在圆环线圈中轴线上的磁感应强度B最强，两个霍尔元件的敏感中心均位于磁感应强度最强的位置上，也即载流线圈产生的磁场垂直穿过两线性霍尔元件11、12的敏感中心，从而保证了感应信号的强度，两个线性霍尔元件以差分的方式输出信号电压，传感器自身能够抑制共模信号和温度漂移，具有自补偿和校正的特点，改善了输出线性度。同时，传感器输出的信号电压是一个线性霍尔元件输出电压的两倍，提高了输出信号幅度；差分式电压输出能直接与仪表放大器接口，便于应用和二次开发。另外，整个传感器仅由一个圆环状载流线圈和两个线性霍尔元件构成，结构简单、尺寸小、易实现，电流传感器省掉了铁芯和简化了温度补偿措施，具有良好的线性度和较高的灵敏度。

参照附图，载流线圈1为单匝或多匝线圈，多匝时可提高灵敏度，单需要保证其阻抗近似为零。线圈的两端分别引出电流进线端子I1和电流出线端子I2。两片线性霍尔元件的正、负电源端对应连接并引出公共电源正端子VC和公共电源负端子 VS。

参照图4，载流线圈1和检测元件2经热膜封装在一壳体3内，各接线端子分别设置在壳体3的两侧。壳体3两侧分别设置四个接线端子，其中一侧为两个电流进线端子I1和两个电流出线端子I2，两个电流进线端子I1并联，两个电流出线端子 I2并联，另一侧为公共电源正端子VC、公共电源负端子VS、第一输出端子U1、第二输出端子U2。如图所示，圆环电流传感器采用8线双列直插式封装，两个电流进线端子I1并联并与载流线圈1的一端连接，两个电流出线端子I2并联并与载流线圈的另一端连接。公共电源正端子VC和公共电源负端子VS连接外部电源，第一输出端子U1和第二输出端子U2与差分电路的输入端连接，将U1和U2的电压差作为电流传感器的输出。

下面结合本案的结构，对本案的工作原理进行简单说明。

检测元件由两片线性霍尔元件(以下简称霍尔元件)构成，霍尔元件具有方向性，其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磁极作用霍尔元件字符标志面时，输出电压高于U₀；N磁极作用霍尔元件标志面时输出电压低于U₀。设霍尔元件的霍尔电压系数为K_H，根据霍尔效应和霍尔元件的设计特点，霍尔元件输出特性可表示为：

U＝U₀±K_HB (1)

式(1)中，正负号的选取与磁场方向相关，B方向与标志面相反时取正号；B方向与标志面相同时取负号。温度变化会影响霍尔元件的静态输出，设温度引起的零点温漂电压为U_t，式(1)应修正为

U＝(U₀+U_t)±K_HB (2)

式(2)表明，对同一霍尔元件改变磁场方向，或两个相同性质的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，即信号电压具有差模信号特点。

参见附图2，设法向矢量n表示线性霍尔元件11、线性霍尔元件12的字符标志面的方向，线性霍尔元件11和线性霍尔元件12的法线方向相反，相同敏感面正对、相贴、重叠构成检测元件2。两片线性霍尔元件11、12采用同一电源，引脚分别以 VC、VS表示；信号电压独立输出，引脚分别以U1、U2表示。设作用线性霍尔元件 11、12的磁感应强度为B，线性霍尔元件11、12的电压系数为K_H，线性霍尔元件 11的静态输出电压为U₀₁，线性霍尔元件12的静态输出电压为U₀₂，线性霍尔元件 11的温漂电压为U_1t，线性霍尔元件12的温漂电压为U_2t，则线性霍尔元件11、12 的输出电压方程分别为：

U₁＝(U₀₁+U_1t)+K_HB (3)

U₂＝(U₀₂+U_2t)-K_HB (4)

理想情况下U₀₁≈U₀₂＝C，C为常数。对同类型霍尔元件，受温度影响的规律基本一致，即U_1t≈U_2t。若将(11)、(12)的输出电压之差U＝U₁-U₂作为霍尔组件信号输出，即检测元件以差分式输出，由式(3)、式(4)得：

U＝(U₀₁-U₀₂)+(U_1t-U_2t)+2K_HB (5)

若令ΔU₀＝U₀₁-U₀₂，ΔU_t＝U_1t-U_2t

式(5)改写为：

U＝ΔU₀+ΔU_t+2K_HB (6)

选择同类型霍尔元件，可使ΔU₀＝U₀₁-U₀₂＝C，ΔU_t＝U_1t-U_2t≈0，式(6)近似为：U＝C+2K_HB (7)

式(7)中C为两霍尔元件静态输出差异产生的常数，C值理论上接近为0mV。差分输出的结果减小了静态输出电压，增大了信号电压幅值，抑制了共模干扰和温度漂移。检测元件的线性度得到改善，具有自补偿和线性校正的特征。

参考附图3，设载流线圈1的半径为R，圆心为O；线性霍尔元件11、12的敏感中心分别为O1、O2，OO1＝OO2＝a，当线性霍尔元件11、12靠近圆心O时， a近似为零。载流线圈1中电流大小为Ip，方向如图3所示。根据对称性，圆环电流在O1、O2点处产生磁场的大小相等，设磁感应强度为B，方向垂直于线性霍尔元件11、12的敏感面。根据圆环电流中轴线上的磁场分布得：

式(8)中，μ₀为磁导率，将式(8)代入式(7)得

因K_H、μ₀为常数，R、a为确定量，令：

式(10)中K为线性系数，其值大小决定传感器灵敏度高低。当R确定，当霍尔元件靠近圆心O处，因a＝0，所以K值最大。K与圆环半径R成反比，显然减少R有利于提高传感器灵敏度，因此检测方法适于电流传感器的小型化设计。

式(9)简化为：

U＝C+KI_p (11)

式(11)表明，差分式霍尔电流传感器的输出电压U与Ip成正比，为线性关系，与温度变化无关。具体实现方法归纳如下：1)取一已知半径的圆环状载流线圈，线圈中的待测电流为Ip；2)将两个紧贴的线性霍尔元件对称置于圆环线圈圆面的两侧，圆环面的中轴线垂直于两个线性霍尔元件的敏感面，其敏感中心位于中轴线上；3)测量霍尔检测元件输出的差分电压U；4)将U代入公式U＝C+KI_p可求得待测电流Ip的数值。

综上所述，本实用新型不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下，可做若干的更改或修饰。上述更改或修饰均落入本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种圆环电流传感器，其特征是包括载流线圈（1）和检测元件（2），载流线圈（1）为圆环状，检测元件（2）包括两片结构型号相同的线性霍尔元件（11、12），两片线性霍尔元件（11、12）贴合为一体且同极性敏感面相对设置，两片线性霍尔元件（11、12）的敏感中心均位于载流线圈（1）圆环的中轴线上且两个敏感中心（、）以圆环的圆心（）为中心对称分布；两片线性霍尔元件（11、12）的输出端连接到差分电路并以差分电路的输出作为电流传感器的输出。

2.如权利要求1所述的圆环电流传感器，其特征是所述载流线圈（1）为单匝或多匝线圈，线圈的两端分别引出电流进线端子（I1）和电流出线端子（I2）。

3.如权利要求2所述的圆环电流传感器，其特征是两片线性霍尔元件的正、负电源端对应连接并引出公共电源正端子（VC）和公共电源负端子（VS）。

4.如权利要求3所述的圆环电流传感器，其特征是所述载流线圈（1）和检测元件（2）经热膜封装在一壳体（3）内，各接线端子分别设置在壳体（3）的两侧。

5.如权利要求4所述的圆环电流传感器，其特征是所述壳体（3）两侧分别设置四个接线端子，其中一侧设置两个电流进线端子（I1）和两个电流出线端子（I2），两个电流进线端子（I1）并联，两个电流出线端子（I2）并联，另一侧设置公共电源正端子（VC）、公共电源负端子（VS）、第一输出端子（U1）、第二输出端子（U2）。