CN209264810U - 一种电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流传感器，包括：待测电流导线、磁阻传感器组、磁偏置结构、电路板、屏蔽层，所述磁阻传感器组设置于所述待测电流导线外侧的圆周上并设置在电路板上，所述磁偏置结构位于所述磁阻传感器组的两侧或者下方，所述待测电流导线通电时产生一被测磁场，所述磁偏置结构在磁阻传感器组处产生偏置磁场，所述磁阻传感器组位置处的磁场是偏置磁场和被测磁场的矢量和，所述屏蔽层包覆在所述电路板的外侧。本实用新型具有较高信噪比，较高的空间容错率；与磁阻传感器灵敏度方向垂直的偏置磁场，使磁阻传感器具有较低的磁滞，提高电流传感器的测量精度；能减小外场对电流传感器的干扰；提高电流传感器的使用灵活性。

Description

一种电流传感器

技术领域

本实用新型涉及磁阻传感器领域，尤其涉及到一种电流传感器。

背景技术

电流传感器普遍用于电流检验测试、工业控制等方面。电流传感器是一种能感受到被测一次电流信号的信息，将检测感受到的信息按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出的检测装置，可以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

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，而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。无论是开环式还是闭环式的电流传感器，由于采用了磁芯，而磁芯的加工成本很高，导致电流传感器的成本很高。

目前现有技术中的电流传感器的频率响应、响应时间、线性度、精度等受到了很大的限制。

实用新型内容

本实用新型提供了一种电流传感器，由多个磁阻传感器构成磁阻传感器组，且分布于多个空间位置，能有效地提高电流测量精度和测量范围。磁偏置结构给磁阻传感器施加一垂直于灵敏度方向的偏置磁场，减小了磁阻传感器的磁滞，能够进一步提高电流测量精度。磁屏蔽结构能够减小外界磁场对电流传感器的影响。此外，本实用新型还提出了开合结构，为电流传感器的使用提供了便利性。

本实用新型的实施例提供了一种电流传感器，包括：待测电流导线、磁阻传感器组、磁偏置结构、电路板、屏蔽层，所述磁阻传感器组设置于所述待测电流导线外侧的圆周上并设置在电路板上，所述磁偏置结构位于所述磁阻传感器组的两侧或者下方，所述屏蔽层包覆在所述电路板的外侧；

所述待测电流导线通电时产生一被测磁场，所述磁偏置结构在磁阻传感器组处产生偏置磁场，所述磁阻传感器组位置处的磁场是偏置磁场和被测磁场的矢量和。

上述技术方案中，所述待测电流导线产生的磁场方向平行于所述磁阻传感器组的灵敏方向，所述磁偏置结构产生的磁场方向垂直于所述传感器的灵敏方向。

上述技术方案中，所述磁偏置结构是长方形，或者扇形，或者圆环状，或者椭圆状。

上述技术方案中，所述磁偏置结构是由包括但不限于钕铁硼、或者钐钴、或者铝镍钴、或者铁氧体的永磁材料构成。

上述技术方案中，所述磁阻传感器组是由M组磁阻传感器组构成，每组磁阻传感器组分别设置在沿着所述待测电流导线间隔设置的电路板上,每组磁阻传感器组是由N个磁阻传感器构成，所述N个磁阻传感器环形排列在电路板上设置的P个半径不同的圆周上，其中，M、N和P都为正整数，且P≤N其中M≥1。

上述技术方案中，所述磁阻传感器为霍尔传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器或者隧道磁阻传感器。

上述技术方案中，所述屏蔽层采用包括但不限于坡莫合金、或者碳钢、或者硅钢、或者具有磁导率的非晶合金、或者铁氧体的软磁材料制成。

上述技术方案中，所述电路板包括上半结构和下半结构，其中所述上半结构和下半结构的一端通过铰链连接配合组装形成开合结构。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益技术效果：

本实用新型的每组磁阻传感器组构成一组输出，输出信号是多个传感器的平均，具有较高信噪比，较高的空间容错率；与磁阻传感器灵敏度方向垂直的偏置磁场，使磁阻传感器具有较低的磁滞，从而提高电流传感器的测量精度；多种不同响应的传感器组，使整个电流传感器具有较高测量精度，较大测量范围；磁屏蔽能减小外场对电流传感器的干扰；开合结构提高了电流传感器的使用灵活性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是电流传感器的结构示意图；

图2是电流传感器的第一种磁偏置方式示意图；

图3是电流传感器的第二种磁偏置方式示意图；

图4是电流传感器的第三种磁偏置方式示意图；

图5是电流传感器的第四种磁偏置方式示意图；

图6是块状单偏置磁块的磁偏置示意图；

图7是扇形单偏置磁环的磁偏置示意图；

图8是环形单偏置磁环的磁偏置示意图；

图9是块状双偏置磁块的磁偏置示意图；

图10是扇形双偏置磁环的磁偏置示意图；

图11是环形双偏置磁环的磁偏置示意图；

图12是有磁偏置和无磁偏置的响应曲线对比示意图；

图13是由单个电路板构成的电流传感器示意图；

图14是由三个磁传感器组构成的电流传感器的响应曲线示意图；

图15是由三个电路板构成的电流传感器示意图；

图16是本实用新型的屏蔽层示意图；

图17是本实用新型的的电路板具有开合结构的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

图1是电流传感器的结构示意图，该示意图是电流传感器的俯视图。如图1所示，所述电流传感器，包括：待测电流导线101、至少一个磁阻传感器组、磁偏置结构(图1未画出)、电路板107、屏蔽层(图1未画出)，所述磁阻传感器组设置于所述待测电流导线101外侧的圆周上并设置在电路板107上，所述磁偏置结构位于所述磁阻传感器组的两侧或者下方，所述屏蔽层包覆在所述电路板的外侧。图中101是待测电流导线，其电流方向向纸里或者纸外，在该待测电流导线的外面，放置有以电路板107，在电路板107上均匀排布了若干个磁阻传感器构成的磁阻传感器组，为了便于阐述，这里取磁阻传感器的个数为4，分别为图中的102，103，104，105。这些磁阻传感器放置在圆106的圆周上，圆106的圆心为待测电流导线101，对待测电流导线101产生的磁场具有相同的响应。在具体实施例中，磁阻传感器为霍尔传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器或者隧道磁阻传感器。为了使磁阻传感器102，103，104，105工作在最佳状态，在这些磁阻传感器周围具有磁偏置结构(图1未画出)，下面将详细阐述磁偏置结构。

图2是电流传感器的第一种磁偏置方式示意图，图中待测电流导线201的电流方向为箭头202，平行于所述磁阻传感器204的灵敏方向，其产生的磁场方向为203。磁阻传感器204位于电路板205上方，其灵敏方向与磁场方向203相同。在电路板205的下方，具有一偏置磁206，其位于磁阻传感器204的正下方。偏置磁206的充磁方向为图中箭头207，则在磁阻传感器204处，存在一偏置磁场，其方向也为207，即在磁阻传感器204施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器204的灵敏方向。

为了实现该磁偏置方式，本实用新型的磁偏置结构是长方形，或者扇形状，或者圆环状，或者椭圆状。具体的，本实用新型的实施例可以采用如图6、图7、图8所示的三种结构，下面将分别描述三种结构的特点。

图6是块状单偏置磁块的磁偏置示意图，图中磁阻传感器601～604位于电路板609的上方，在磁阻传感器601～604的正下方、电路板609的下方分别具有单偏置磁块605～608。所有磁阻传感器和单偏置磁块都位于以待测电流导线610为圆心的圆周611上，且所有磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线610产生的磁场相同，而偏置磁场的方向为电流的方向、即垂直于纸面的方向，即给磁阻传感器601～604施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器601～604的灵敏方向。

图7是扇形单偏置磁环的磁偏置示意图，图中磁阻传感器701～704位于电路板707的上方，在磁阻传感器701～704的正下方、电路板707的下方分别具有扇形单偏置磁环705、706。所有磁阻传感器和单偏置磁环都位于以待测电流导线708为圆心的圆周709上，且所有磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线708产生的磁场相同，而偏置磁场的方向为电流的方向、即垂直于纸面的方向，即给磁阻传感器701～704施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器701～704的灵敏方向。

图8是环形单偏置磁环的磁偏置示意图，图中磁阻传感器801～804位于电路板806的上方，在磁阻传感器801～804的正下方、电路板806的下方具有环形单偏置磁环805。所有磁阻传感器和环形单偏置磁环都位于以待测电流导线807为圆心的圆周808上，且所有磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线807产生的磁场相同，而偏置磁场的方向为电流的方向、即垂直于纸面的方向，即给磁阻传感器801～804施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器801～804的灵敏方向。

图3是电流传感器的第二种磁偏置方式示意图，图中待测电流导线301的电流方向为箭头302，其产生的磁场方向为303。磁阻传感器304位于电路板305上方，其灵敏方向与磁场方向303相同。在电路板305的下方，具有一偏置磁306，其位于磁阻传感器304的正下方。偏置磁306的充磁方向为图中箭头307，则在磁阻传感器304处，存在一偏置磁场，其方向为308，即在磁阻传感器304施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器304的灵敏方向。为了实现该磁偏置方式，可以采用如图6、图7、图8所示的三种结构，与第一种磁偏置方式不同的是：偏置磁结构的充磁方式不同，在磁阻传感器位置处的偏置磁场方向不同。

图4是电流传感器的第三种磁偏置方式示意图，图中待测电流导线401的电流方向为箭头402，其产生的磁场方向为403。磁阻传感器404位于电路板405上方，其灵敏方向与磁场方向403相同。在磁阻传感器404的两侧(也在电路板405的上方)，具有两个偏置磁406和407，这两个偏置磁的充磁方向为图中箭头408，在磁场则传感器404位置处，存在一偏置磁场，其方向为409，即在磁阻传感器404施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器404的灵敏方向。

为了实现该磁偏置方式，可以采用如图9、图10、图11所示的三种结构，下面将分别描述三种结构的特点。本实用新型的磁偏置结构是由包括但不仅限于钕铁硼、或者钐钴、或者铝镍钴、或者铁氧体的永磁材料构成。

图9是块状双偏置磁块的磁偏置示意图，图中磁阻传感器901～904位于电路板913的上方，在磁阻传感器901～904的两侧(也在电路板913的上方)，分别具有块状偏置磁块905、906，907、908，909、910，911、912。所有磁阻传感器和偏置磁块都位于以待测电流导线914为圆心的圆周915上，且所有磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线914产生的磁场相同，而偏置磁场的方向为电流的方向、即垂直于纸面的方向，即给磁阻传感器901～904施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器901～904的灵敏方向。

图10是扇形双偏置磁环的偏置磁示意图，扇形之间的缝隙是为了便于开合装置的装配，图中磁阻传感器1001～1004位于电路板1009的上方，在磁阻传感器1001～1004的两侧，并也在电路板1009的上方，放置四个扇形的偏置磁环1005、1006、1007、1008。所有磁阻传感器都位于以待测电流导线1010为圆心的圆周1011上，偏置磁环1005和1006位于比圆周1011半径大一些的圆周上，偏置磁环1007和1008位于比圆周1011半径小一些的圆周上。所有磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线1010产生的磁场相同，而偏置磁场的方向为电流的方向、即垂直于纸面的方向，即给磁阻传感器1001～1004施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器1001～1004的灵敏方向。

图11是环形双偏置磁环的偏置磁示意图，图中磁阻传感器1101～1104位于电路板1107的上方，在磁阻传感器1101～1104的两侧(也在电路板1107的上方)，放置两个环形的偏置磁环1105、1106。所有磁阻传感器都位于以待测电流导线1108为圆心的圆周1109上，偏置磁环1105位于比圆周1011半径大一些的圆周上，偏置磁环1106位于比圆周1109半径小一些的圆周上。所有磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线1108产生的磁场相同，而偏置磁场的方向为电流的方向、即垂直于纸面的方向，即给磁阻传感器1101～1104施加了一偏置磁场，且该偏置磁场垂直于磁阻传感器1101～1104的灵敏方向。

图12是有磁偏置和无磁偏置的响应曲线对比示意图，图中曲线1201是没有磁偏置情况的响应曲线，曲线1205是有磁偏置情况的响应曲线，横坐标是磁阻传感器处的磁场，纵坐标是磁阻传感器的输出电压(假设磁阻传感器为全桥电路结构)。在没有磁偏置的情况下，响应曲线具有较大的磁滞，此时磁阻传感器会出现较大的测量误差，具体分析如下：当磁场是从负磁场到点1202时，磁阻传感器的输出电压为点1203；当磁场是从正磁场到点1202时，磁阻传感器的输出电压为点1204，这就意味着磁阻传感器输出具有磁滞效应。然而若磁阻传感器具有一磁偏置，其响应曲线为没有磁滞的曲线1205，意味着磁阻传感器输出与磁场具有唯一的对应关系。另一方面，没有磁偏置时，磁阻传感器的测量范围为0到点1207，而有磁偏置的情况下，其测量范围为0到点1208，从图中可见，磁偏置能够增加磁阻传感器的测量范围。

图13是由单个电路板构成的电流传感器示意图，其中磁阻传感器1311～1314分布在第一圆周1315上，1321～1324分布在第二圆周1325上，1331～1334分布在第三圆周1335上，所有磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线产生的磁场的方向相同，圆周1315～1335是半径不同的同心圆。图14是由三个磁传感器组构成的电流传感器的响应曲线示意图，如图14所示，随着圆周的半径的增加，磁阻传感器位置处的磁场逐步减弱，不同圆周上的磁阻传感器对电流的响应也不同。

本实用新型还包括电源输入端和信号输出端，其中通过电源输入端为磁阻传感器供电，而磁阻传感器将探测到的待测电流导线产生的磁场中的磁信号转化为电压信号，并通过信号输出端输出，图14中，横坐标是导线中的电流，纵坐标是磁阻传感器的输出。曲线1401，1402，1403分别是位于不同圆周上的磁阻传感器的响应曲线，由于圆周的半径不同，相同的电流在不同圆周上的磁场不同，因此，三个圆周上的磁阻传感器响应曲线也不同，饱和范围也不同。同时测量三个圆周的磁阻传感器的输出，可以提高测量精度，提高测量范围。例如：待测电流为点1414，若电流传感器均分布圆周1315上，那么其响应曲线为1401，显然，该点已经超过曲线1401的饱和范围，无法测量；若磁阻传感器均分布圆周1335上，那么其响应曲线为1403，磁阻传感器的输出电压为最大值的1/3左右；若磁阻传感器均分布圆周1325上，那么其响应曲线为1402，磁阻传感器的输出电压为最大值的1/2左右。从信号采集的角度看，信号太接近输出电压最大值或者最小值，都可能带来测量误差。因此，将磁阻传感器设置在若干个不同的圆周上，有利于可以提高测量精度，提高测量范围。

为了进一步提高测量精度、提高测量范围，还可以采用如图15的分布结构。图15是由三个电路板构成的电流传感器示意图，图中具有3个电路板1511、1521、5131，在电路板1511上，具有2个同心圆环1512、1513，每个同心圆周上，设置若干个磁阻传感器，且这些磁阻传感器的灵敏方向均与待测电流导线产生的磁场方向相同，这些磁阻传感器的灵敏度可以不相同。利用此方法，且同时采集所有圆周上的传感器的输出曲线，可以进一步拓展测量精度、提高测量范围。

图16是本实用新型的屏蔽层示意图，如图16所示。左边是其俯视透视图，在电流传感器的外侧，具有屏蔽层1602。右边是其三维立体图，从图中可见，电流传感器的外侧1602、上底面1603和下底面1604，都具有屏蔽层。本实用新型的屏蔽层采用包括但不仅限于坡莫合金、或者碳钢、或者硅钢、或者具有磁导率的非晶合金、或者铁氧体的软磁材料制成。

此外，一个具体实施例中，本实用新型的电路板包括上半结构和下半结构，其中所述上半结构和下半结构的一端通过铰链连接配合组装形成开合结构。图17是本实用新型的的电路板具有开合结构的示意图，如图17所示。当需要测量待测电流导线1704时，将上半结构1701和下半结构1702旋开，将待测电流导线1704放入，然后再将上半结构1701和下半结构1702闭合，其闭合的方式可以采用螺钉螺母或者卡扣结构，即可实现待测电流导线的放入，这在便携式电流测量中非常实用。该开合结构不会对磁学的物理量产生任何影响，因此是可靠、有效的。

基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。尽管本实用新型就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，可以对本实用新型进行各种变化和修改。

Claims (8)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括：待测电流导线、磁阻传感器组、磁偏置结构、电路板、屏蔽层，所述磁阻传感器组设置于所述待测电流导线外侧的圆周上并设置在电路板上，所述磁偏置结构位于所述磁阻传感器组的两侧或者下方，所述屏蔽层包覆在所述电路板的外侧；

所述待测电流导线通电时产生一被测磁场，所述磁偏置结构在磁阻传感器组处产生偏置磁场，所述磁阻传感器组位置处的磁场是偏置磁场和被测磁场的矢量和。

2.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述待测电流导线产生的磁场方向平行于所述磁阻传感器组的灵敏方向，所述磁偏置结构产生的磁场方向垂直于所述传感器的灵敏方向。

3.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁偏置结构是长方形，或者扇形，或者圆环状，或者椭圆状。

4.根据权利要求3所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁偏置结构是由包括但不限于钕铁硼、或者钐钴、或者铝镍钴、或者铁氧体的永磁材料构成。

5.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁阻传感器组是由M组磁阻传感器组构成，每组磁阻传感器组分别设置在沿着所述待测电流导线间隔设置的电路板上,每组磁阻传感器组是由N个磁阻传感器构成，所述N个磁阻传感器环形排列在电路板上设置的P个半径不同的圆周上，其中，M、N和P都为正整数，且P≤N其中M≥1。

6.根据权利要求5所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁阻传感器为霍尔传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器或者隧道磁阻传感器。

7.根据权利要求6所述的一种电流传感器，其特征在于，所述屏蔽层采用包括但不限于坡莫合金、或者碳钢、或者硅钢、或者具有磁导率的非晶合金、铁氧体的软磁材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述电路板包括上半结构和下半结构，其中所述上半结构和下半结构的一端通过铰链连接配合组装形成开合结构。