CN211505675U - 一种闭环式电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种闭环式电流传感器，包括：一对可开合的铁芯、绕制于铁芯外的二次反馈线圈、磁阻传感单元及信号处理电路；铁芯外包覆有多铁材料薄膜，磁阻传感单元设置于铁芯形成的磁路的空隙间隙处；信号处理单元包括信号采集电路、信号放大电路、电流反馈电路、电压跟随电路及电压反馈电路；信号采集电路与磁阻传感单元的输出端相连，并将电压信号传送至信号放大电路，信号放大电路有两路输出，一路输出至电流反馈电路，另一路输出至电压跟随电路；电流反馈电流的输出端与二次反馈线圈的一端相连，二次反馈线圈的另一端与二次电阻相连；电压跟随电路的输出端与电压反馈电路相连，电压反馈电路的输出端连接于多铁材料薄膜上。本实用新型的传感器可实现低功耗。

Description

一种闭环式电流传感器

技术领域

本实用新型属于电流测量技术领域，尤指涉及一种开合结构的闭环式电流传感器。

背景技术

开合式零磁通闭环电流传感器由于其安装的便利性、较高的测量精度和使用的可靠性，在电流测量领域被广泛使用。传统的开合式零磁通闭环电流传感器基于零磁通原理(互感器原理)，测量时，二次电流按照I₁N₁＝I₂N₂的安匝比公式，对一次被测电流产生的磁场进行抵消，从而在铁芯内产生零磁通状态。由于闭环电流传感器需要给二次线圈提供电流反馈，而功耗＝反馈电流*供电电压，当反馈电流越大时，功耗越大，如何降低闭环电流传感器的功耗是业内亟待解决的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低功耗的闭环式电流传感器。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种闭环式电流传感器，包括：一对可开合的铁芯、绕制于所述铁芯外的二次反馈线圈、磁阻传感单元以及信号处理电路；所述铁芯外包覆有多铁材料薄膜，所述磁阻传感单元设置于所述铁芯形成的磁路的空隙间隙处；所述信号处理单元包括信号采集电路、信号放大电路、电流反馈电路、电压跟随电路以及电压反馈电路；其中，所述信号采集电路与所述磁阻传感单元的输出端相连，并将采集到的电压信号传送至所述信号放大电路，所述信号放大电路的输出端具有两路输出，一路输出至所述电流反馈电路，另一路输出至所述电压跟随电路；所述电流反馈电流的输出端与所述二次反馈线圈的一端相连，所述二次反馈线圈的另一端与二次电阻相连；所述电压跟随电路的输出端与所述电压反馈电路相连，所述电压反馈电路的输出端连接于所述多铁材料薄膜上。

更具体的，所述磁阻传感单元为TMR单元或GMR单元或AMR单元或霍尔元件。

更具体的，所述多铁材料薄膜包括由磁性材料形成的铁磁层和由压电材料形成的压电层。

更具体的，所述铁磁层为初始磁导率大于1000且磁致伸缩系数大于10ppm的磁性材料层。

更具体的，所述铁磁层为Ni层或Fe层或Co层或Ni、Fe、Co合金层。

更具体的，所述压电层为电致伸缩系数大于500ppm的压电材料层。

更具体的，所述压电层为PZT层或PZN-PT层或PMN-PT层或AlN层或HfO₂层。

更具体的，所述多铁材料薄膜包括：基底、形成于所述基底上的第一导电层、形成于所述第一导电层上的压电层和铁磁层、形成于所述铁磁层上的绝缘层、形成于所述绝缘层上的第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层分别形成有和所述电压反馈电路相连的上电极和下电极。

更具体的，所述信号采集电路包括第一放大器，所述第一放大器的反相输入端和同相输入端分别经电阻与所述磁阻传感单元的两个输出端相连，第一放大器的反相输入端同时经电阻和第一放大器的输出端相连，同相输出端同时经电阻与第一放大器的输出端相连，同相输出端还经电阻接地，第一放大器的输出端与所述信号放大电路的输入端相连。

更具体的，所述信号放大电路包括第二放大器，所述第二放大器的同相输入端经电阻和所述信号采集电路的输出端相连，反相输入端经电阻接地、并同时经电阻与所述第二放大器的输出端相连，所述第二放大器的输出端分别与所述电流反馈电路及所述电压跟随电路相连。

更具体的，所述电流反馈电路包括第三放大器，所述第三放大器的同相输入端经电阻接地，反相输入端经电阻与所述信号放大电路的输出端相连、并同时经电容及电阻与所述第三放大器的输出端相连，所述第三放大器的输出端与所述二次反馈线圈相连。

更具体的，所述电压跟随电路包括第四放大器，所述第四放大器的同相输入端与所述第二放大器的输出端相连，反向输入端与第四放大器的输出端相连，所述第四放大器的输出端与电压反馈电路的输入端相连。

更具体的，所述电压反馈电路包括第五放大器，所述第五放大器的同相输入端通过电阻与所述电压跟随电路的输出端相连，反相输入端经电阻接地，反相输入端同时经电阻与第五放大器的输出端相连，第五放大器的输出端与多铁材料薄膜相连。

可替换的，所述磁阻传感单元替换为RC调制电路。

由以上技术方案可知，本实用新型在电流传感器的铁芯外包覆一层多铁材料薄膜，利用多铁材料的特性，将部分电压信号隔离提出来加载在多铁材料薄膜上，通过改变多铁材料薄膜的磁导率来改变铁芯内的磁通量，从而在不影响传感器精度的情况下，降低零磁通传感器的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为多铁材料的磁电效应示意图；

图3a至图3e为本实用新型实施例多铁材料薄膜的制备过程示意图；

图4为现有技术RC调制电路的基础电路图。

具体实施方式

为了让本实用新型的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本实用新型实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

如图1所示，本实施例的电流传感器包括一对可开合的铁芯1，两个铁芯1相对布置，形成环形的磁路，铁芯1可为硅钢片、坡莫合金、纳米晶等常规的磁性材料制成的磁芯。铁芯1外包覆有一层多铁材料薄膜(未图示)，多铁材料薄膜由多铁材料。包覆有多铁材料薄膜的铁芯1设置于绝缘副壳(未图示)内，并在绝缘副壳外用绝缘漆包线绕制形成二次反馈线圈2，二次反馈线圈2的一端连接二次电阻R13，另一端与后端的信号处理单元(电流反馈电路C)相连，二次电阻R13的另一端接地。在由铁芯1构成的磁路的空气间隙a内设置有磁阻传感单元3，磁阻传感单元3可为TMR单元、GMR单元、AMR单元或霍尔元件等，本实施例的磁阻传感单元为TMR芯片，磁阻传感单元3的输出端与信号处理单元相连。本实施例的磁阻传感单元3为电流传感器的调制解调模块，用于对一次被测电流进行调制和解调。在其他的实施例中，调制解调电路也可以采用RC调制电路(图4)等传统磁调制式的电路，即并不一定由磁阻传感单元3完成。

本实施例的信号处理单元包括信号采集电路A、信号放大电路B、电流反馈电路C、电压跟随电路D以及电压反馈电路E。其中，信号采集电路A与磁阻传感单元3相连，用于对磁阻传感单元3输出的电压信号进行采集。本实施例的信号采集电路包括第一放大器U1A，第一放大器U1A为差分放大器，其反相输入端经电阻R1与磁阻传感单元3的一个输出端相连，同相输入端经电阻R3与磁阻传感单元3的另一个输出端相连，第一放大器U1A的反相输入端同时经电阻R2和第一放大器U1A的输出端相连，同相输出端同时经电阻R4与第一放大器U1A的输出端相连，同相输出端还经电阻R5接地。第一放大器U1A(信号采集电路)的输出端与信号放大电路B的输入端相连。

信号放大电路B包括第二放大器U1B，用于对采集的电压信号进行放大。第二放大器U1B的同相输入端经电阻R7和信号采集电路(第一放大器)的输出端相连，反相输入端经电阻R8接地，反相输入端同时经电阻R9与第二放大器U1B的输出端相连，第二放大器U1B的输出端，即信号放大电路B的输出端有两路输出，一路输出至电流反馈电路C，另一路输出至电压跟随电路D。

电流反馈电路C包括第三放大器U1C，第三放大器U1C的反相输入端经电阻R10与信号放大电路B(第二放大器)的输出端相连，并同时经电容C3及电阻R12与第三放大器U1C的输出端相连，第三放大器U1C的同相输入端经电阻R11接地，第三放大器U1C的输出端与二次反馈线圈2的一端相连。电流反馈电路C用于对铁芯剩余磁通进行负反馈，使铁芯内部产生零磁通状态。

电压跟随电路D包括第四放大器U2C，第四放大器U2C的同相输入端与第二放大器U1B的输出端相连，反向输入端与第四放大器U2C的输出端相连，第四放大器U2C的输出端与电压反馈电路E的输入端相连。电压跟随电路D在电流反馈的同时对放大后的电压信号进行隔离提取。

电压反馈电路E包括第五放大器U2A，第五放大器U2A的同相输入端通过电阻R14与电压跟随电路D(第四放大器)的输出端相连，反相输入端经电阻R16接地，反相输入端同时经电阻R15与第五放大器U2A的输出端相连，第五放大器U2A的输出端与多铁材料薄膜相连。电压反馈电路E与电压跟随电路D将电压信号反馈至多铁材料薄膜上，形成电压回路，电压跟随电路D、电压反馈电路E及多铁材料薄膜一起完成电压的反馈。

如图2所示，多铁材料是一种具有铁电(P-E)特性和磁电(M-H)特性的材料，存在磁-电交叉调控效应，即可以通过磁场(H)调控电极化(P)，或者通过电场(E)调控磁化(M)。在电场极化的作用下，可以引起磁畴角度发生变化，也就是说可以通过给多铁材料施加电压，使多铁材料本身的饱和磁场大小、导磁率发生变化。本实施例的多铁材料薄膜主要包括铁磁层和压电层，铁磁层由Ni、Fe、Co等金属或其合金等磁性材料形成，磁性材料的初始磁导率大于1000且磁致伸缩系数大于10ppm；压电层由PZT或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO₂等压电材料形成，压电材料的电致伸缩系数大于500ppm。当有电压加载在压电层上时，基于压电材料的特性，压电层会在电压的作用下发生形变，该形变会进一步传递至铁磁层，使得铁磁层的磁导率因自身形变而发生相应变化(在大电压作用下，铁磁层的磁导率会变大)，从而对外部磁场的分布产生影响。

当被测导体内有被测电流时，磁阻传感单元的一部分电压通过电压跟随电路和电压反馈电路反馈到多铁材料薄膜上，多铁材料薄膜中铁磁层的磁导率会在电压作用下发生变化，导致多铁材料薄膜(铁磁层)的磁导率变大，使得磁场更容易从多铁材料薄膜中流过，从而流过铁芯的磁场会变小，以此改变铁芯内部的磁通量，铁芯内部的磁通量变小后，所需要的反馈电流也相应变小，从而实现降低功耗的目的。

下面以一具体实施例对本实用新型多铁材料薄膜的制备方法做进一步的说明：

如图3a所示，提供一基底21，基底1的表面平坦，具有良好的绝缘性能，将基底1进行预处理，预处理步骤包括：利用丙酮、酒精和去离子水对基底21进行超声清洗5min，然后用N2吹干，并在烘箱内保持115℃烘20min；本实施例的基底是Si基底；

采用光刻技术在基底21上形成第一预定义图形，并采用磁控溅射薄膜生长技术在基底1上沉积与第一预定义图形形状对应的第一导电层22，第一导电层22可由Cu、Au等导电非磁性材料形成，第一导电层22的厚度约为10nm～50nm，第一导电层22用于形成下电极，用丙酮清除光刻胶后，在基底21形成下电极，如图3b所示；

通过光刻技术在第一导电层22上形成第二预定义图形，并依次用压电材料和铁磁材料在第一导电层22上沉积由压电层和铁磁层复合组成的磁电复合层23，如图3c所示，即形成基底-下电极-压电层-铁磁层的多层结构；磁电复合层23的厚度与实际器件的尺寸相关，可为500nm～5000nm；

用丙酮清除光刻胶，通过光刻技术在磁电复合层23形成第三预定义图形；

如图3d所示，在磁电复合层23上生长绝缘层24，绝缘层24的厚度比磁电复合层23的厚度厚，一般的，绝缘层24的厚度可比磁电复合层23的厚度厚50nm左右，绝缘层24可用SiO₂、Al₂O₃等绝缘材料形成；

用丙酮去除光刻胶，通过光刻技术在绝缘层24形成第四预定义图形；

如图3e所示，在绝缘层24上生长第二导电层25，第二导电层25用于形成上电极，第二导电层25的材料和第一导电层22的材料相同；上电极和下电极用于连接电压反馈电路；

用丙酮清洗，去除光刻胶，得到多铁材料薄膜。

前述步骤中，形成预定义图形的方法如下：在基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖Si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；将旋涂光刻胶的Si基底放入烘箱内，以115℃加热20min，使得光刻胶完全固化；经过预定义图形的掩膜版对光刻胶层进行紫外线曝光；显影，去除多余的光刻胶，在Si基底上留下预定义图形。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (14)

1.一种闭环式电流传感器，包括：一对可开合的铁芯、绕制于所述铁芯外的二次反馈线圈、磁阻传感单元以及信号处理单元；

其特征在于：

所述铁芯外包覆有多铁材料薄膜，所述磁阻传感单元设置于所述铁芯形成的磁路的空隙间隙处；

所述信号处理单元包括信号采集电路、信号放大电路、电流反馈电路、电压跟随电路以及电压反馈电路；其中，所述信号采集电路与所述磁阻传感单元的输出端相连，并将采集到的电压信号传送至所述信号放大电路，所述信号放大电路的输出端具有两路输出，一路输出至所述电流反馈电路，另一路输出至所述电压跟随电路；所述电流反馈电流的输出端与所述二次反馈线圈的一端相连，所述二次反馈线圈的另一端与二次电阻相连；所述电压跟随电路的输出端与所述电压反馈电路相连，所述电压反馈电路的输出端连接于所述多铁材料薄膜上。

2.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述磁阻传感单元为TMR单元或GMR单元或AMR单元或霍尔元件。

3.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述多铁材料薄膜包括由磁性材料形成的铁磁层和由压电材料形成的压电层。

4.如权利要求3所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述铁磁层为初始磁导率大于1000且磁致伸缩系数大于10ppm的磁性材料层。

5.如权利要求3或4所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述铁磁层为Ni层或Fe层或Co层或Ni、Fe、Co合金层。

6.如权利要求3所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述压电层为电致伸缩系数大于500ppm的压电材料层。

7.如权利要求3或6所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述压电层为PZT层或PZN-PT层或PMN-PT层或AlN层或HfO₂层。

8.如权利要求3所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述多铁材料薄膜包括：基底、形成于所述基底上的第一导电层、形成于所述第一导电层上的压电层和铁磁层、形成于所述铁磁层上的绝缘层、形成于所述绝缘层上的第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层分别形成有和所述电压反馈电路相连的上电极和下电极。

9.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述信号采集电路包括第一放大器，所述第一放大器的反相输入端和同相输入端分别经电阻与所述磁阻传感单元的两个输出端相连，第一放大器的反相输入端同时经电阻和第一放大器的输出端相连，同相输出端同时经电阻与第一放大器的输出端相连，同相输出端还经电阻接地，第一放大器的输出端与所述信号放大电路的输入端相连。

10.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述信号放大电路包括第二放大器，所述第二放大器的同相输入端经电阻和所述信号采集电路的输出端相连，反相输入端经电阻接地、并同时经电阻与所述第二放大器的输出端相连，所述第二放大器的输出端分别与所述电流反馈电路及所述电压跟随电路相连。

11.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述电流反馈电路包括第三放大器，所述第三放大器的同相输入端经电阻接地，反相输入端经电阻与所述信号放大电路的输出端相连、并同时经电容及电阻与所述第三放大器的输出端相连，所述第三放大器的输出端与所述二次反馈线圈相连。

12.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述电压跟随电路包括第四放大器，所述第四放大器的同相输入端与所述信号放大电路的一路输出端相连，反向输入端与第四放大器的输出端相连，所述第四放大器的输出端与电压反馈电路的输入端相连。

13.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述电压反馈电路包括第五放大器，所述第五放大器的同相输入端通过电阻与所述电压跟随电路的输出端相连，反相输入端经电阻接地，反相输入端同时经电阻与第五放大器的输出端相连，第五放大器的输出端与多铁材料薄膜相连。

14.如权利要求1所述的闭环式电流传感器，其特征在于：所述磁阻传感单元替换为RC调制电路。

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