CN105353192A - 一种电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流传感器，包括多个串联的传感单元，所述传感单元环绕待测导线m圈，每一圈上相邻的传感单元之间的距离相等，每圈上的传感单元的个数均相同；其中，m≥1。本发明还公开了一种电流传感器，包括多个并联的传感单元，所述传感单元环绕待测导线m圈，每一圈上相邻的传感单元之间的距离相等，每圈上的传感单元的个数均相同；其中，m≥1。本发明采用各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件的电流传感器，该传感器具有高精度、高灵敏度、成本低的特点。

Description

一种电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，特别是一种电流传感器。

背景技术

电流测量装置一般是通过被测电流产生的磁场大小来实现对电流的测量的，以霍尔元件和磁电阻元件为敏感元件的磁性电流传感器较之于光纤和线圈式电流传感器具有更高的精度和灵敏度，且在油污和极端的温度环境下可以使用。霍尔电流传感器是目前使用最为广泛的电流传感装置，其利用霍尔效应原理测量通电导线的场强进而得到电流的大小，霍尔元件测量范围宽，但是灵敏度和精度非常低，因此以霍尔元件为敏感元件的电流传感器需要设置额外的聚磁环结构，体积非常大，而以高精度和高灵敏度的磁电阻元件（各向异性磁电阻、巨磁电阻以及磁性隧道结元件）为敏感元件的电流传感器越来越成为主流。

中国公开号CN101788596A的专利：TMR电流传感器公开了以TMR元件（即磁性隧道结元件）为敏感元件的电流传感器，其包括芯片集成式、PCB集成式和分离式三种结构的电流传感器。虽然理论上来说采用磁电阻元件的电流传感器由于其高灵敏度和高精度的特点，并不需要额外的聚磁环，但是在实际使用中，特别是对于大电流的测量，采用磁性隧道结元件的电流传感器一般采用这样的结构：用一根电流导线从回路中引入待测电流，设置聚磁环环绕待测导线用以汇聚磁场，位于聚磁环气隙处的传感器芯片用以测量磁场，进而得到待测电流的大小。由上述可以看出，聚磁环在实际应用中是不可避免的，这带来了一系列问题：(1)聚磁环具有磁滞，会降低传感器的精度；(2)聚磁环的价格较高，且体积较大，会提高传感器的成本，增加传感器的体积；(3)聚磁环的温度特性差，且容易饱和，大大降低了传感器的精度。

中国公开号CN203786190U的专利：一种隧道磁阻电流传感器公开了一种采用8个以上呈环形等距排列的隧道磁阻芯片测量电流的方式，但是该专利存在公开不充分的情况，本领域的普通技术人员难以通过该专利披露的技术制造该类传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种电流传感器，本发明采用各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件的电流传感器，该传感器精度高、灵敏度高且成本低。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种电流传感器，包括多个串联的传感单元，所述传感单元环绕待测导线m圈，每一圈上相邻的传感单元之间的距离相等，每圈上的传感单元的个数均相同；其中，m≥1。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述传感单元包括至少一个磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述m≥2时，每一圈上的传感单元均位于对应线上，所述对应线为最内圈的传感单元与导线中心的连线。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，还包括温度补偿单元，所述温度补偿单元与多个传感单元串联。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，还包括与多个传感单元连接的运放单元。

一种电流传感器，包括多个并联的传感单元，所述传感单元环绕待测导线m圈，每一圈上相邻的传感单元之间的距离相等，每圈上的传感单元的个数均相同；其中，m≥1。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述m≥2时，每一圈上的传感单元均位于对应线上，所述对应线为最内圈的传感单元与导线中心的连线。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，还包括温度补偿单元，所述温度补偿单元与多个传感单元串联。

作为本发明所述的一种电流传感器进一步优化方案，还包括与多个传感单元连接的运放单元。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明采用各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件的电流传感器，该传感器具有高精度、高灵敏度、成本低的特点。

附图说明

图1是本发明提出的电流传感器的实施例一的结构和电连接示意图。

图2是本发明提出的电流传感器的实施例二的结构和电连接示意图。

图3是本发明提出的电流传感器的实施例三的结构和电连接示意图。

图4是本发明提出的电流传感器的实施例二的电连接示意图。

图5是采用单电阻或半桥结构为传感单元的电流传感器的输出曲线图。

图6是采用全桥结构为传感单元的电流传感器的输出曲线图。

图中的附图标记解释为：11a、11b、11c……11n均为传感单元，21-待测导线，13a、13b、13c……13n均为传感单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

图1是本发明提出的电流传感器的一种实施例的结构和电连接示意图。如图所示，多个传感单元11a、11b、11c……11n以等距环绕在待测导线21周围，每个传感单元可以测出其所在位置的磁场大小，所述n个传感单元串联，其输入端口为V _CC和GND，所述电流传感器通过输入端口连入系统通入工作电流，同时V _CC端口和GND端口也是其输出端口，其输出值即为串联的多个传感单元的总输出值。

图2是本发明提出的电流传感器的第二种实施例的结构和电连接示意图。如图所示，多个传感单元11a、11b、11c……11n、13a、13b、13c……13n以等距环绕在待测导线21周围两圈，每个传感单元可以测出其所在位置的磁场大小，其中，传感单元11a、11b、11c……11n环绕在外圈，传感单元13a、13b、13c……13n环绕在内圈，外圈的传感单元数和内圈的传感单元数相同，多个传感单元11a、11b、11c……11n、13a、13b、13c……13n串联，其输入端口为V _CC和GND，所述电流传感器通过输入端口连入系统通入工作电流，其输出端口为V _OUT和V _CC，或V _OUT和GND，串联的外圈传感单元和内圈传感单元组成一个半桥结构，其输出值即为该半桥的一个等效桥臂的输出值，其电连接方式如图4所述。

图3是本发明提出的电流传感器的第三种实施例的结构和电连接示意图。如图所示，多个传感单元11a、11b、11c……11n以等距环绕在待测导线21周围，每个传感单元可以测出其所在位置的磁场大小，所述n个传感单元并联，其输入端口为V _CC和GND，所述电流传感器通过输入端口连入系统通入工作电流，同时V _CC端口和GND端口也是其输出端口，其输出值即为并联的多个传感单元的总输出值。在附图3中传感单元11为半桥结构以便于描述其电连接方式，实际应用中其不仅限于半桥结构，也可以是单电阻或全桥结构。

上述的三种实施例采用了多个传感单元测量替代聚磁环，从而克服了聚磁环的一系列问题：具有磁滞影响精度，价格较高提高成本，饱和场小。采用串联以及半桥式串联的多个传感单元测量实际上是相当于将多个传感单元的信号放大，以多个传感单元的总输出替代了聚磁环的作用，由于安培环路定理，采用多个传感单元测量可增强抗外界磁场干扰能力，同时降低了内部电流线位置对测量的影响；采用多个传感单元并联的总输出实际上是多个传感单元测量结果的均值，从而可以降低上述干扰，提高测量精度。上述多个传感单元不仅限于排布在导线周围一圈，也可以是两圈以及多圈，采用多个传感单元多圈串联的电流传感器可以是多圈传感单元的总输出为输出，也可以是单圈为一组输出信号，需要已知每圈传感单元的个数和每圈传感单元距离待测导线圆心的距离；并联的同理，可采用多圈的总输出或单圈为一组输出，需要已知每圈传感单元的个数和每圈传感单元距离待测导线圆心的距离。每个传感单元和其相邻圈对应的传感单元的排布方式最好是沿导线横截面的直径排列，也可以错位，由毕奥-萨伐尔定律，以无限通电长直导线为例，B=μ ₀ I/(2πr ₀)，已知每圈传感单元的输出或总输出V（由输出电压V可知磁感应强度B），每圈传感单元的个数n和每圈传感单元距离待测导线圆心的距离r，可算出通电导线的电流I的大小。由于在实际使用中，会由于安装或环境震动等原因使得每圈每个传感单元距离待测导线圆心的距离是不等的，但是采用了多个传感单元可以使得误差均化，提高了测量精度。多个传感单元的固定方式可以是PCB，也可以是柔性PCB，采用柔性PCB的优势是可折叠，测量时将传感器贴附在待测导线上，十分方便。

由于传感单元具有温漂的特性，因此会影响测量结果，尤其是在温度环境恶劣的情况下。因此可设置一个对外界磁场不敏感的传感单元作为温度补偿单元，该温度补偿单元和上述多个串联或并联的传感单元串联分压，在温度上升或下降时，温度补偿单元和多个传感单元的阻值同时增加或减小，从而实现温度补偿的目的。温度补偿单元的具体工作方式可参考中国公开号为CN102419393A的专利：一种电流传感器。同时，为了进一步优化输出信号，电流传感器的电路回路中可设置运放单元。

上述传感单元均是由磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构，所述磁性传感元件为霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件，优选饱和场较大且精度很高的巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。巨磁电阻元件和磁性隧道结元件是一种阻值随外磁场变化而变化的磁电阻元件，通过现有的技术磁电阻元件的R-H（阻值-外磁场）曲线具有低磁滞，高饱和场和宽线性范围的特性，相对于传统的磁性传感元件如电感线圈和霍尔元件具有更高的精度和更好的温度特性，相比于各向异性磁电阻元件具有更高的饱和场，其作为漏电传感器的敏感元件是最理想的。

传感单元可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要通入工作电流。其中，单电阻或半桥结构为最优的选择，单电阻或半桥输出曲线如图5所示，其中，+V _Peak和-V _Peak为最大输出值，H _S为饱和场，其工作区域为输出曲线的线性区域。全桥输出曲线如图6所示。

巨磁电阻元件以及磁性隧道元件的结构图和工作原理，以及磁性传感器芯片的具体工作方式可参考公开号为CN103645369A的中国专利：一种电流传感装置。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括多个串联的传感单元，所述传感单元环绕待测导线m圈，每一圈上相邻的传感单元之间的距离相等，每圈上的传感单元的个数均相同；其中，m≥1。

2.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述传感单元包括至少一个磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构。

3.根据权利要求2所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

4.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述m≥2时，每一圈上的传感单元均位于对应线上，所述对应线为最内圈的传感单元与导线中心的连线。

5.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，还包括温度补偿单元，所述温度补偿单元与多个传感单元串联。

6.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，还包括与多个传感单元连接的运放单元。

7.一种电流传感器，其特征在于，包括多个并联的传感单元，所述传感单元环绕待测导线m圈，每一圈上相邻的传感单元之间的距离相等，每圈上的传感单元的个数均相同；其中，m≥1。

8.根据权利要求7所述的一种电流传感器，其特征在于，所述m≥2时，每一圈上的传感单元均位于对应线上，所述对应线为最内圈的传感单元与导线中心的连线。

9.根据权利要求7所述的一种电流传感器，其特征在于，还包括温度补偿单元，所述温度补偿单元与多个传感单元串联。

10.根据权利要求7所述的一种电流传感器，其特征在于，还包括与多个传感单元连接的运放单元。