CN104391169A - 一种双线霍尔电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双线霍尔电流传感器，传感器包括：磁芯，磁芯为开路磁芯或闭合磁芯；双线电缆，双线电缆平行于磁芯中心轴设置，使得所述双线电缆产生的磁感线聚集在磁芯内；霍尔元件，霍尔元件垂直于磁芯的横截面设置，用于采集双线电缆的电流信号，并将电流信号发送至电流检测电路；采能线圈，采能线圈设置于所述磁芯表面，用于储存双线电缆的磁场能量；电流检测电路，电流检测电路接收电流信号，用于将电流信号转换为数字信号以电磁波的形式进行无线传输。通过在双线电缆外部设置磁芯，改变双线电缆周围电磁场的分布，通过霍尔元件检测双线电缆的电流。且通过采能线圈以及电流检测电路对双线电缆的磁场能量进行采集，实现了自供电和无线传输。

Description

一种双线霍尔电流传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体的说，涉及一种双线霍尔电流传感器。

背景技术

传感器(英文名称：transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器适用范围广泛，为仪器仪表、物联网、无线传感网等领域提供一种全新的技术支持。其中，霍尔电流传感器根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流I_c，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势V_H，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I_c与磁场强度B的乘积，通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。霍尔电流传感器在载流导体周围产生正比于该电流的磁场，而霍尔元件则用来测量这一磁场，因此，使电流的非接触测量成为可能。

目前，电子产品中通常使用平行双线电缆进行供电，然而，现有的非侵入式电流测量时所使用的霍尔电流传感器只能测量单线电缆的电流，并不能测量双线电缆的供电电流，因此，目前为止还没有一种用于有效测量双线电缆电流的传感器。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双线霍尔电流传感器，能够对双线电缆的电流进行测量，同时实现自供电以及无线传输。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双线霍尔电流传感器，所述传感器包括：

磁芯，所述磁芯为开路磁芯或闭合磁芯；

双线电缆，所述双线电缆平行于所述磁芯中心轴设置，使得所述双线电缆产生的磁感线聚集在所述磁芯内；

霍尔元件，所述霍尔元件垂直于所述磁芯的横截面设置，用于采集所述双线电缆的电流信号，并将所述电流信号发送至电流检测电路；

采能线圈，所述采能线圈设置于所述磁芯表面，用于储存所述双线电缆的磁场能量；

电流检测电路，所述电流检测电路接收所述电流信号，用于将所述电流信号转换为数字信号，并以电磁波的形式进行无线传输。

优选的，在上述双线电流传感器中，所述霍尔元件通过发射天线将所述电流信号发送至所述电流检测电路。

优选的，在上述双线电流传感器中，所述电流检测电路包括：

无线传感模块，用于接收所述电流信号，并将所述电流信号发送至信号调理电路，并将所述信号调理电路处理后的数字信号转换为电磁波；

信号调理电路，所述信号调理电路与所述无线传感模块连接，用于将所述电流信号转换为数字信号发送至无线传感模块；

电源管理电路，所述电源管理电路分别与所述信号调理电路以及所述无线传感模块连接，用于给所述信号调理电路以及无线传感模块供电。

优选的，在上述双线电流传感器中，所述传感器还包括高磁导率薄膜，所述高磁导率薄膜设置于所述霍尔元件表面。

从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种双线霍尔电流传感器，所述传感器包括：磁芯，所述磁芯为开路磁芯或闭合磁芯；双线电缆，所述双线电缆平行于所述磁芯中心轴设置，使得所述双线电缆产生的磁感线聚集在所述磁芯内；霍尔元件，所述霍尔元件垂直于所述磁芯的横截面设置，用于采集所述双线电缆的电流信号，并将所述电流信号发送至电流检测电路；采能线圈，所述采能线圈设置于所述磁芯表面，用于储存所述双线电缆的磁场能量；电流检测电路，所述电流检测电路接收所述电流信号，用于将所述电流信号转换为数字信号以电磁波的形式进行无线传输。通过在双线电缆外部设置磁芯，改变了双线电缆周围电磁场的分布，通过霍尔元件检测双线电缆的电流，且通过设置采能线圈对双线电缆的磁场能量进行采集，与电流检测电路配合为双线电流传感器供电，无需外界电源对传感器进行供电，实现了自供电。通过设置电流检测电路以及采能线圈实现了双线电缆的电流信号的无线传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种双线霍尔电流传感器示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中霍尔电流传感器无法测量双线电缆电流的问题，本发明提供了一种双线霍尔电流传感器，如图1所示，所述传感器包括：磁芯101，所述磁芯101为开路磁芯或闭合磁芯；双线电缆102，所述双线电缆102平行于所述磁芯101中心轴设置，使得所述双线电缆102产生的磁感线聚集在所述磁芯内；霍尔元件103，所述霍尔元件103垂直于所述磁芯101的横截面设置，用于采集所述双线电缆102的电流信号，并将所述电流信号发送至电流检测电路104；采能线圈105，所述采能线圈105设置于所述磁芯101表面，用于储存所述双线电缆102的磁场能量；电流检测电路104，所述电流检测电路104接收所述电流信号，用于将所述电流信号转换为数字信号，并以电磁波的形式进行无线传输。

所述霍尔元件103通过发射天线106将所述电流信号发送至所述电流检测电路104。所述电流检测电路104包括：无线传感模块107，用于接收所述电流信号，并将所述电流信号发送至信号调理电路108，并将所述信号调理电路108处理后的数字信号转换为电磁波；信号调理电路108，所述信号调理电路108与所述无线传感模块107连接，用于将所述电流信号转换为数字信号发送至无线传感模块107；电源管理电路109，所述电源管理电路109分别与所述信号调理电路108以及所述无线传感模块107连接，用于给所述信号调理电路108以及无线传感模块107供电。

所述传感器还包括高磁导率薄膜，所述高磁导率薄膜设置于所述霍尔元件表面。高磁导率薄膜可以吸收电磁波消除腔体谐振，降低电路间相互干扰，提高系统抗电磁干扰能力。

本实施例中采用闭合双线霍尔电流传感器为例进行说明。霍尔元件103是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。通电的双线电缆102在磁体中产生磁感线，磁感线穿过霍尔元件103的感磁面，则在输出端有霍尔电势V_H，通过测量霍尔电势的大小间接测量双线电缆102电流的大小。因此，双线霍尔电流传感器经过了电-磁-电的绝缘隔离转换。如图1所示，本发明提供的一种双线电流传感器由闭合磁芯101、采能线圈105、霍尔元件103以及电流检测电路104组成，对双线电缆102电流进行测量。其中，霍尔元件103安装在磁芯101左臂上端，用于测量流过双线电缆102中的电流；采能线圈105缠绕在磁芯101右臂，用于采集双线电缆102周围的磁场能量，经电源管理电路109处理后为无线模块107、信号调理电路108及霍尔元件103供电；电流检测电路104与霍尔元件103连接。霍尔元件103测量了双线电缆102的电流，并将电流信号通过发射天线106发送至无线传感模块107，无线传感模块107将电流信号发送至信号调理电路108，信号调理电路108将电流信号转换为数字信号再次发送至无线传感模块107，此时，无线传感模块107将数字信号转换为电磁波进行无线传输。

具体的，双线电缆102内有电流流过时，对磁芯内磁场进行分析，得到安放霍尔元件103间隙处磁感应强度随待测双线电缆102中电流变化的变化系数如式(1)所示，可验证此种设计能使霍尔元件103间隙处和采能处的磁场都尽可能大，由霍尔效应原理分析可得霍尔元件103的磁电电压转换系数如式(2)所示，同时可得双线霍尔电流传感器输出电压随待测电流变化的变化系数如式(3)所示，采能线圈105的输出电压V_o及功率P_o随待测电流和线圈负载变化的关系如式(4)和式(5)所示。其中，B_h为穿过霍尔元件的磁感应强度，I为平行双线电缆中流过的电流，x_h、z_h为霍尔元件内任一点的x轴和z轴坐标，a_mn为对霍尔元件中各点磁场B_h数值拟合得到的系数，M为与霍尔元件尺寸及间隙大小相关的参数，V为霍尔元件的输出电压，K_H、I_H分别为霍尔元件的灵敏度和工作电流，A_C为磁芯的横截面积，ω₀为导线中电流I的角频率，L_M为磁芯磁路中采能部分的激磁电感，N为取能线圈的匝数，R为采能线圈负载，P₀、V₀分别为采能线圈的输出功率和输出电压，δ为磁芯中间气隙高度。

${\∂}_B=\frac{{\mathrm{dB}}_h}{\mathrm{dI}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4M}\underset{m=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{mn}}{x}_h^{2n}{z}_h^{2m}---\left(1\right)$

${\∂}_v=\frac{\mathrm{dV}}{{\mathrm{dB}}_h}=\frac{1}{K_H\·I_h}---\left(2\right)$

${\∂}_I=\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dI}}=\frac{\mathrm{dV}}{{\mathrm{dB}}_h}\×\frac{{\mathrm{dB}}_h}{\mathrm{dI}}={\∂}_B\×{\∂}_V---\left(3\right)$

$V_0=\frac{\mathrm{IR}}{N\sqrt{1+{(R/{\mathrm{\ω}}_0{L}_m)}^2}}---\left(4\right)$ $P_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}^2{A}_C}{\mathrm{\δ}}\left[\frac{R/L_m}{1+{(R/{\mathrm{\ω}}_0{L}_m)}^2}\right]---\left(5\right)$

当采能线圈105负载为35Ω、匝数2000时可实现1A工作电流下其输出功率为4μW左右。10mW量级的无线感应模块107每发射一次完整信号耗时不超过25ms，因此经电源管理电路109储能后每8分钟可使无线感应模块107成功发射一次信号。

W_供＝P₀t＝4μW×8×60sec＝1.92mJ    (6)

W_耗＝Pt＝10mW×0.025sec＝0.25mJ    (7)

λ·W_供供＝_供30％W＝0.576mJ＞W＝0.25mJ    (8)

式(6)、式(7)以及式(8)中W_供为采能线圈105提供的有效电能，W_耗为无线感应模块107每发射一次信号所产生的功耗，霍尔元件103功耗很低，可忽略，λ为电源管理电路109效率，一般在30％～50％之间，此处暂时取40％。对磁芯内磁场理论分析推导，设定一系列具体参数值后，可得霍尔元件103处的平均磁感应强度随待测电流变化的变化系数为霍尔元件103的磁电电压转换系数为传感器的输出电压与待测电流之间的关系表达式如式(9)：

V＝2.16I(mV)    (9)因此，传感器可检测双线电缆的电流范围为0.05-500A。当采能线圈105负载为35Ω、匝数2000时可实现1A工作电流下输出4μW左右的功率，经电源管理电路109储能，每8分钟可使10mW量级的无线感应模块107完整发射一次传感信号，无线传输距离可达25m。

本发明提供的一种双线霍尔电流传感器通过在双线电缆外部设置磁芯，改变了双线电缆周围电磁场的分布，通过霍尔元件检测双线电缆的电流，电流检测范围为0.05-500A，灵敏度2.16mv/A。且通过设置采能线圈对双线电缆的磁场能量进行采集，与电流检测电路配合为双线电流传感器供电，无需外界电源对传感器进行供电，实现了自供电。通过设置电流检测电路以及采能线圈实现了双线电缆的电流信号的无线传输。

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发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，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的范围。

Claims (4)

1.一种双线霍尔电流传感器，其特征在于，所述传感器包括：

磁芯，所述磁芯为开路磁芯或闭合磁芯；

双线电缆，所述双线电缆平行于所述磁芯中心轴设置，使得所述双线电缆产生的磁感线聚集在所述磁芯内；

霍尔元件，所述霍尔元件垂直于所述磁芯的横截面设置，用于采集所述双线电缆的电流信号，并将所述电流信号发送至电流检测电路；

采能线圈，所述采能线圈设置于所述磁芯表面，用于储存所述双线电缆的磁场能量；

电流检测电路，所述电流检测电路接收所述电流信号，用于将所述电流信号转换为数字信号，并以电磁波的形式进行无线传输。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述霍尔元件通过发射天线将所述电流信号发送至所述电流检测电路。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述电流检测电路包括：

无线传感模块，用于接收所述电流信号，并将所述电流信号发送至信号调理电路，并将所述信号调理电路处理后的数字信号转换为电磁波；

信号调理电路，所述信号调理电路与所述无线传感模块连接，用于将所述电流信号转换为数字信号发送至无线传感模块；

电源管理电路，所述电源管理电路分别与所述信号调理电路以及所述无线传感模块连接，用于给所述信号调理电路以及无线传感模块供电。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括高磁导率薄膜，所述高磁导率薄膜设置于所述霍尔元件表面。