CN213600772U - 一种电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种电流传感器，该电流传感器包括：待测电流导体，待测电流导体包含形状相同的第一导体段和第二导体段；设置于第一导体段内侧区域的第一磁传感器组，设置于第二导体段内侧区域的第二磁传感器组；待测电流导体经电流流过后，第一导体段和第二导体段分别在各自内侧区域内产生待测磁场，该两个待测磁场的大小相同且以待测电流导体的几何中心为中心呈反向对称分布，第一磁传感器组和第二磁传感器组的敏感方向相反且均与所述待测磁场的方向平行，第一磁传感器组检测第一导体段所产生的磁场，第二磁传感器组检测第二导体段所产生的磁场，该两个磁场构成差分磁场。本实用新型实施例中，电流传感器尺寸较小且测量范围宽。

Description

一种电流传感器

技术领域

本实用新型实施例涉及磁传感器技术，尤其涉及一种电流传感器。

背景技术

电流测量在电力系统、风电、光伏、变频器、轨道交通、工业控制等行业一直是一项普遍且重要的需求，并且随着人工智能及智慧物联网的蓬勃发展，对电流测量的需求量将进一步提升。

目前常用于电流测量的电流传感器包括分流器、电流互感器、霍尔电流传感器和磁通门电流传感器。

分流器在低频、小幅值电流测量中表现出优异的精度和较快的响应速度，但高频特性差，测量范围比较窄。电流互感器、霍尔电流传感器和磁通门电流传感器等需要借助聚磁环结构放大磁场以提高测量精度；测量电流时，被测电流导体需要穿过聚磁环的中心孔，导致电流传感器体积较大。

电流互感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器可实现电流的隔离测量，但需要借助聚磁环结构放大磁场提高测量精度。测量电流时，被测电流导体需要穿过聚磁环的中心孔，导致测量装置体积依赖被测电流导体以及聚磁环的尺寸。而额定电流较大的这几类传感器，传感器更是体积庞大，价格昂贵，无法广泛应用，并且方案固化，难以灵活适用不同的电流测量场合。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种电流传感器，以解决现有电流传感器测量范围窄、体型大的问题。

本实用新型实施例提供了一种电流传感器，包括：

待测电流导体，所述待测电流导体包含形状相同的第一导体段和第二导体段，且所述第一导体段的延伸形状所围成的区域和所述第二导体段的延伸形状所围成的区域分别构成一具有开口且呈轴对称的凹槽结构，所述第一导体段和所述第二导体段以所述待测电流导体的几何中心为中心呈中心对称分布；

第一磁传感器组和第二磁传感器组，所述第一磁传感器组设置于所述第一导体段的内侧区域，所述第二磁传感器组设置于所述第二导体段的内侧区域；

所述待测电流导体经电流流过后，所述第一导体段和所述第二导体段分别在各自内侧区域内产生待测磁场，该两个待测磁场的大小相同且以所述待测电流导体的几何中心为中心呈反向对称分布，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组的敏感方向相反，且均与所述待测磁场的方向平行，所述第一磁传感器组用于检测所述电流流过所述待测电流导体的第一导体段所产生的第一磁场，所述第二磁传感器组用于检测所述电流流过所述待测电流导体的第二导体段所产生的第二磁场，所述第一磁场和所述第二磁场构成差分磁场。

进一步的，所述待测电流导体是单材质金属导体或者匀质合金导体。

进一步的，所述第一导体段和所述第二导体段的凹槽结构呈矩形、梯形、半圆形、半椭圆形或者弧形。

进一步的，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组对称设置在电路板上，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组均由M个磁阻传感器并联连接构成，其中，所述磁阻传感器由N个磁传感器单元串联连接构成，M和N为正整数。

进一步的，电流传感器还包括：第一偏置磁块和第二偏置磁块，所述第一偏置磁块设置于所述电路板的表面或者设置于所述第一磁传感器组的表面，所述第二偏置磁块与所述第一偏置磁块相对应，且设置于所述电路板的表面或者设置于所述第二磁传感器组的表面，所述第一偏置磁块的充磁方向垂直于所述第一磁传感器阻的敏感方向，所述第二偏置磁块的充磁方向垂直于所述第二磁传感器组的敏感方向。

进一步的，所述第一偏置磁块和所述第二偏置磁块均由永磁材料构成，所述永磁材料包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴和铁氧体中的至少一种。

进一步的，电流传感器还包括：信号处理器，所述信号处理器与所述电路板电连接，所述信号处理器包括温度补偿单元、非线性补偿单元和运算放大器，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组输出的信号依次经过所述温度补偿单元、所述非线性补偿单元和所述运算放大器，形成所述电流传感器的输出信号。

进一步的，所述磁传感器单元为霍尔传感器单元、各向异性磁阻传感器单元、巨磁阻传感器单元或者隧道磁阻传感器单元。

本实用新型实施例中，电流传感器的待测电流导体包含形状相同的第一导体段和第二导体段，每个导体段的延伸形状所围成的区域构成一具有开口且呈轴对称的凹槽结构，第一磁传感器组设置于第一导体段的内侧区域，第二磁传感器组设置于第二导体段的内侧区域，无需使用聚磁环，使得其整体结构尺寸较小且成本降低；电流传感器采用第一磁传感器组检测第一导体段的磁场，采用第二磁传感器组检测第二导体段的磁场，该两个磁场构成差分磁场，能够有效提高电流传感器的抗外磁场干扰能力；第一磁传感器组和第二磁传感器组构成一组输出，其输出信号与两个磁传感器组感测到的差分磁场所对应，具有较高信噪比，较高的空间容错率，保证了电流传感器在低频和高频电流测量中的高精度、低温漂，实现了对电流的隔离精确检测，拓宽了测量范围。本实用新型实施例提供的电流传感器，解决了传统隔离式电流测试方法中体积大、抗干扰能力差的问题。

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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本实用新型的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本实用新型的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本实用新型的权利要求范围之内。

图1是本实用新型实施例提供的一种电流传感器的示意图；

图2是一种待测电流导体的成型方式；

图3是另一种待测电流导体的成型方式；

图4是又一种待测电流导体的成型方式；

图5是磁传感器组的结构示意图；

图6是一种磁偏置结构的示意图；

图7是另一种磁偏置结构的示意图；

图8是又一种磁偏置结构的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施例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所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1所示，为本实用新型实施例提供的一种电流传感器的示意图。本实施例提供的电流传感器包括：待测电流导体101，待测电流导体101包含形状相同的第一导体段102和第二导体段103，且第一导体段102的延伸形状所围成的区域和第二导体段103的延伸形状所围成的区域分别构成一具有开口且呈轴对称的凹槽结构，第一导体段102和第二导体段103以待测电流导体101的几何中心104为中心呈中心对称分布；第一磁传感器组108和第二磁传感器组109，第一磁传感器组108设置于第一导体段102的内侧区域，第二磁传感器组109设置于第二导体段103的内侧区域；待测电流导体101经电流105流过后，第一导体段102和第二导体段103分别在各自内侧区域内产生待测磁场，该两个待测磁场的大小相同且以待测电流导体101的几何中心104为中心呈反向对称分布，第一磁传感器组108和第二磁传感器组109的敏感方向相反，且均与待测磁场的方向平行，第一磁传感器组108用于检测电流105流过待测电流导体101的第一导体段102所产生的第一磁场，第二磁传感器组109用于检测电流105流过待测电流导体101的第二导体段103所产生的第二磁场，第一磁场和第二磁场构成差分磁场。

本实施例中，待测电流导体101、第一磁传感器组108和第二磁传感器组109、可编程芯片111、电路板110和电流传感器导线112集成在一起，放入电流传感器的壳体113内，并在电流传感器的壳体113的内部空间采用密封胶114封堵，构成一完整的电流传感器。可选待测电流导体101是单材质金属导体或者匀质合金导体。

第一导体段102和第二导体段103的形状相同，具体的两者的延伸形状相同且其延伸形状所围成的区域均构成一具有开口且呈轴对称的凹槽结构，该凹槽结构形状相同，例如其凹槽结构为矩形形状。第一导体段102弯折延伸以围成一凹槽结构，该凹槽结构的半包围区域可定义为第一导体段102的内侧区域；第二导体段103弯折延伸以围成一凹槽结构，该凹槽结构的半包围区域可定义为第二导体段103的内侧区域。第一导体段102和第二导体段103以待测电流导体101的几何中心104为中心呈中心对称分布，则第一导体段102的内侧区域的开口朝向与第二导体段103的内侧区域的开口朝向相反。

当待测电流导体101中通过待测电流105时，第一导体段102的内侧区域产生待测磁场，第二导体段103的内侧区域产生待测磁场，则该两个待测磁场的大小相同，且该两个待测磁场是以待测电流导体101的几何中心104为中心的反向对称磁场，其中，第一导体段102的内侧区域产生的待测磁场即第一磁场的方向如图1中106所示，第二导体段103的内侧区域产生的待测磁场即第二磁场的方向如图1中107所示。

本实施例中，第一导体段102的内侧区域设置有第一磁传感器组108，第二导体段103的内侧区域设置有第二磁传感器组109。第一磁传感器组108和第二磁传感器组109均贴附于电路板110上，其中，第一磁传感器组108位于电路板110的面向第一导体段102的一侧表面上，第二磁传感器组109位于电路板110的面向第二导体段103的一侧表面上。第一磁传感器组108的敏感方向和第二磁传感器组109的敏感方向平行且相反。第一磁传感器组108的敏感方向与第一导体段102产生的待测磁场的磁场方向106同向，第二磁传感器组109的敏感方向与第二导体段103产生的待测磁场的磁场方向107同向。

第一磁传感器组108检测待测电流105流过待测电流导体101的第一导体段102所产生的第一磁场106，第二磁传感器组109检测待测电流105流过待测电流导体101的第二导体段103所产生的第二磁场107，第一磁场106和第二磁场107构成差分磁场。则第一磁传感器组108和第二磁传感器组109可根据第一磁场106和第二磁场107检测得到差分磁场，并转换得到与该差分磁场所对应的电信号。

电路板110包括可编程芯片111，电流传感器导线112与可编程芯片111电连接。可编程芯片111接收第一磁传感器组108和第二磁传感器组109根据差分磁场所得到的电压信号，对该与差分磁场所对应的电压信号依次进行温度补偿、非线性补偿和增益放大等处理后，得到第一导体段102和第二导体段103之间的差分磁场强度所对应的输出电压信号，通过电流传感器导线112输出该电压信号。

在其他实施例中，还可选第一导体段的内侧区域设置有多个第一磁传感器组，第二导体段的内侧区域设置有多个第二磁传感器组，采用多组磁传感器组检测差分磁场信号，电路板根据多组磁传感器组检测到的差分磁场强度输出电压信号，以提高信噪比和空间容错率。

可选电流传感器还包括：信号处理器，信号处理器与电路板电连接，信号处理器包括温度补偿单元、非线性补偿单元和运算放大器，第一磁传感器组和第二磁传感器组输出的电信号依次经过温度补偿单元、非线性补偿单元和运算放大器，形成电流传感器的输出信号。可选信号处理器为可编程芯片111，可编程芯片111通过温度补偿单元对第一磁传感器组108和第二磁传感器组109的电压信号进行温度补偿，通过非线性补偿单元对经过温度补偿的电压信号进行非线性补偿，通过运算放大器对经过非线性补偿的电压信号进行增益放大。内置的可编程芯片包含温度补偿单元和非线性补偿单元，可以保证电流传感器的高精度和低温漂，实现对电流的隔离精确检测。

本实用新型实施例中，电流传感器的待测电流导体包含形状相同的第一导体段和第二导体段，每个导体段的延伸形状所围成的区域构成一具有开口且呈轴对称的凹槽结构，第一磁传感器组设置于第一导体段的内侧区域，第二磁传感器组设置于第二导体段的内侧区域，无需使用聚磁环，使得其整体结构尺寸较小且成本降低；电流传感器采用第一磁传感器组检测第一导体段的磁场，采用第二磁传感器组检测第二导体段的磁场，该两个磁场构成差分磁场，能够有效提高电流传感器的抗外磁场干扰能力；第一磁传感器组和第二磁传感器组构成一组输出，其输出信号与两个磁传感器组感测到的差分磁场所对应，具有较高信噪比，较高的空间容错率，保证了电流传感器在低频和高频电流测量中的高精度、低温漂，实现了对电流的隔离精确检测，拓宽了测量范围。

示例性的，在上述任意实施例的基础上，可选第一导体段和第二导体段的凹槽结构呈矩形、梯形、半圆形、半椭圆形或者弧形。如图2所示，待测电流导体201包含第一导体段202和第二导体段203，第一导体段202和第二导体段203的凹槽结构形状还可选为梯形形状。如图3所示，待测电流导体301包含第一导体段302和第二导体段303，第一导体段302和第二导体段303的凹槽结构形状还可选为半圆形形状。如图4所示，待测电流导体401包含第一导体段402和第二导体段403，第一导体段402和第二导体段403的凹槽结构形状还可选为半椭圆形或弧形形状。

示例性的，在上述任意实施例的基础上，可选第一磁传感器组和第二磁传感器组对称设置在电路板上，第一磁传感器组和第二磁传感器组均由M个磁阻传感器并联连接构成，其中，磁阻传感器由N个磁传感器单元串联连接构成，M和N为正整数。

如图1所示，第一磁传感器组108和第二磁传感器组109在电路板110上的正投影以电路板110的法线为轴对称分布，且第一磁传感器组108和第二磁传感器组109设置在电路板110的不同表面。如图5所示一个磁传感器组包括M个磁阻传感器11并联连接构成，其中，磁阻传感器11由N个磁传感器单元11a串联连接构成，例如M＝4，N＝6，但不限于此。可选磁传感器单元为霍尔传感器单元、各向异性磁阻传感器单元、巨磁阻传感器单元或者隧道磁阻传感器单元，不限于此。

可选电流传感器还包括：第一偏置磁块和第二偏置磁块，第一偏置磁块设置于电路板的表面或者设置于第一磁传感器组的表面，第二偏置磁块与第一偏置磁块相对应，且设置于电路板的表面或者设置于第二磁传感器组的表面，第一偏置磁块的充磁方向垂直于第一磁传感器阻的敏感方向，第二偏置磁块的充磁方向垂直于第二磁传感器组的敏感方向。其中，第一偏置磁块和第一磁传感器组构成一组结构，第二偏置磁块和第二磁传感器组构成一组结构，偏置磁块在电路板上的正投影和与其所对应的磁传感器组交叠。

如图6所示，偏置磁块设置于电路板的表面，可选一组中磁传感器组501和偏置磁块503分别设置在电路板502的两侧表面，磁传感器组501的敏感方向为504，偏置磁块503充磁方向为505a或505b，或者是位于505a和505b构成的平面内的任意一个方向，磁传感器敏感方向504与偏置磁块充磁方向505a或505b相互垂直。结合图1所示，第一磁传感器组设置在电路板的上表面，且第一偏置磁块设置在电路板的下表面；第二磁传感器组设置在电路板的下表面，且第二偏置磁块设置在电路板的上表面。

如图7所示，偏置磁块设置于所对应的磁传感器组的表面，可选一组中磁传感器组601和偏置磁块603设置在电路板602的同侧，磁传感器组601的敏感方向为604，偏置磁块603充磁方向为605a或605b，或者是位于605a和605b构成的平面内的任意一个方向，磁传感器组601的敏感方向604与偏置磁块603的充磁方向605a或605b相互垂直。结合图1所示，第一磁传感器组设置在电路板的上表面，且第一偏置磁块位于第一磁传感器组上；第二磁传感器组设置在电路板的下表面，且第二偏置磁块位于第二磁传感器组上。

如图8所示，一组中包括两个偏置磁块，该两个偏置磁块分别设置于电路板的两侧，可选一组中磁传感器组701设置在电路板702的一表面，一偏置磁块703设置在该磁传感器组701的表面，且另一偏置磁块704设置在电路板702的另一表面，磁传感器组701的敏感方向为706a或706b，或者是位于705a和705b构成的平面内的任意一个方向，磁传感器敏感方向705与偏置磁块充磁方向706a或706b相互垂直。结合图1所示，第一磁传感器组设置在电路板的上表面，且一个第一偏置磁块位于第一磁传感器组上，另一第一偏置磁块设置在电路板的下表面；以及，第二磁传感器组设置在电路板的下表面，且一个第二偏置磁块位于第二磁传感器组上，另一第二偏置磁块设置在电路板的上表面。

可选偏置磁块的横截面是矩形或者圆形，不限于此。可选第一偏置磁块和第二偏置磁块均由永磁材料构成，永磁材料包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴和铁氧体中的至少一种，永磁材料包括但不限于此。

在电流传感器中设置磁偏置结构，使磁传感器组具有较低的磁滞、较高的线性度、较好的零点稳定性，进一步提高电流传感器的测量精度，同时降低甚至消除大电流冲击对电流传感器的损伤，进一步拓宽电流传感器的电流测量界限和应用范围。

以上三种磁偏置结构的共同特点是，磁块在传感器位置处产生的磁场方向垂直于传感器的灵敏方向。其他的磁偏置结构，只要是为了在传感器位置处产生垂直于传感器的灵敏方向的磁场的，均属于本实用新型的发明内容。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括：

待测电流导体，所述待测电流导体包含形状相同的第一导体段和第二导体段，且所述第一导体段的延伸形状所围成的区域和所述第二导体段的延伸形状所围成的区域分别构成一具有开口且呈轴对称的凹槽结构，所述第一导体段和所述第二导体段以所述待测电流导体的几何中心为中心呈中心对称分布；

第一磁传感器组和第二磁传感器组，所述第一磁传感器组设置于所述第一导体段的内侧区域，所述第二磁传感器组设置于所述第二导体段的内侧区域；

所述待测电流导体经电流流过后，所述第一导体段和所述第二导体段分别在各自内侧区域内产生待测磁场，该两个待测磁场的大小相同且以所述待测电流导体的几何中心为中心呈反向对称分布，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组的敏感方向相反且均与所述待测磁场的方向平行，所述第一磁传感器组用于检测所述电流流过所述待测电流导体的第一导体段所产生的第一磁场，所述第二磁传感器组用于检测所述电流流过所述待测电流导体的第二导体段所产生的第二磁场，所述第一磁场和所述第二磁场构成差分磁场。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述待测电流导体是单材质金属导体或者匀质合金导体。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述第一导体段和所述第二导体段的凹槽结构呈矩形、梯形、半圆形、半椭圆形或者弧形。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组对称设置在电路板上，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组均由M个磁阻传感器并联连接构成，其中，所述磁阻传感器由N个磁传感器单元串联连接构成，M和N为正整数。

5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，还包括：第一偏置磁块和第二偏置磁块，所述第一偏置磁块设置于所述电路板的表面或者设置于所述第一磁传感器组的表面，所述第二偏置磁块与所述第一偏置磁块相对应，且设置于所述电路板的表面或者设置于所述第二磁传感器组的表面，所述第一偏置磁块的充磁方向垂直于所述第一磁传感器阻的敏感方向，所述第二偏置磁块的充磁方向垂直于所述第二磁传感器组的敏感方向。

6.根据权利要求5所述的电流传感器，其特征在于，所述第一偏置磁块和所述第二偏置磁块均由永磁材料构成，所述永磁材料包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴和铁氧体中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，还包括：信号处理器，所述信号处理器与所述电路板电连接，所述信号处理器包括温度补偿单元、非线性补偿单元和运算放大器，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组输出的信号依次经过所述温度补偿单元、所述非线性补偿单元和所述运算放大器，形成所述电流传感器的输出信号。

8.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，所述磁传感器单元为霍尔传感器单元、各向异性磁阻传感器单元、巨磁阻传感器单元或者隧道磁阻传感器单元。

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