CN108398588B - 一种电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流传感器，包括：至少三个磁传感器单元，环绕排布在待检测区域周围，所述待检测区域用于穿设待测导线；每个磁传感器单元包括：第一磁电阻；第二磁电阻，与所述第一磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端；其中，所述第二磁电阻与所述第一磁电阻的磁敏感方向相反；每个磁传感器单元的输出端设置于所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间；每个磁传感器单元的输出端与其他磁传感器单元中至少一者的输出端相接。通过本发明实施例提供的电流传感器中，多个磁传感器单元中的磁电阻实际上是并联设置的关系，即使有一个磁传感器单元损坏，其余磁传感器依然能够正常工作并输出测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种电流传感器。
背景技术
电流传感器广泛应用于新能源、智能交通、工业控制、智能家电以及智能电网等领域。
如图1所示，现有技术公开了一种电流传感器，多个磁传感器单元环绕设置在待测导线的周围，每个磁传感器单元包括磁敏感方向相反的第一磁电阻和第二磁电阻，相邻的磁电阻首尾相连而形成串联设置的传感器链，传感器链的两端作为该电流传感器的输出端。
然而，串联而成的传感器链中，一旦有一个磁电阻损坏，则会使整个电流传感器无法输出测量结果。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种电流传感器，以解决现有电流传感器中一个磁电阻损坏会导致整个电流传感器无法输出测量结果的问题。
本发明实施例提供了一种电流传感器，包括：至少三个磁传感器单元，环绕排布在待检测区域周围，所述待检测区域用于穿设待测导线；每个磁传感器单元包括：第一磁电阻；第二磁电阻，与所述第一磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端；其中，所述第二磁电阻与所述第一磁电阻的磁敏感方向相反；每个磁传感器单元的输出端设置于所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间；每个磁传感器单元的输出端与其他磁传感器单元中至少一者的输出端相接。
可选地，所述至少三个传感器单元的输出端相接。
可选地，所述电流传感器还包括：第一运算放大器，所述至少三个磁传感器单元的输出端相接后连接至所述第一运算放大器的第一输入端，所述第一运算放大器的第二输入端连接参考电压。
可选地，所述至少三个磁传感器单元包括第一磁传感器单元和第二磁传感器单元，其中，所述第一磁传感器单元和所述第二磁传感器单元中连接至相同电位源的磁电阻的磁敏感方向相反；所述第一磁传感器单元和所述第二磁传感器单元相互交错地环绕排布在所述待检测区域周围；所述第一磁传感器的输出端相接，所述第二磁传感器的输出端相接。
可选地，所述电流传感器还包括：第二运算放大器，所述第一磁传感器单元的输出端相接后连接至所述第二运算放大器的第一输入端连接，所述第二运算放大器的第二输入端连接至每个第二磁传感器单元中第一磁电阻和第二磁电阻之间。
可选地，每个磁传感器单元还包括：第三磁电阻；第四磁电阻，与第三磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端；其中，第四磁电阻与第三磁电阻的磁敏感方向相反；每个磁传感器单元中，连接同一电位源的磁电阻的磁敏感方向相反；所述磁传感器单元的第一输出端设置于所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间，第二输出端设置于所述第三磁电阻和所述第四磁电阻之间；每个磁传感器单元的第一输出端相接，第二输出端相接。
可选地，所述电流传感器还包括：第三运算放大器，每个磁传感器单元的第一输出端相接后连接至所述第三运算放大器的第一输入端，每个磁传感器单元的第二输出端相接后连接至第三运算放大器的第二输入端。
可选地，所述至少三个磁传感器单元按照预定几何图形均匀排布在所述待检测区域周围，所述预定几何图形包括圆、椭圆或中心对称的多边形。
本发明实施例提供的电流传感器，每个磁传感器单元分别连接至电源两端，磁传感器单元的输出端设置于第一磁电阻和第二磁电阻之间，从而多个磁传感器单元中的磁电阻实际上是并联设置的关系，即使有一个磁传感器单元损坏，其余磁传感器依然能够正常工作并输出测量结果。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了现有技术中电流传感器的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的一种电流传感器的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的另一种电流传感器的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的一种信号处理模块的示意图；
图5示出了一种仿真示意图；
图6示出了根据图5所示方式进行仿真的结果；
图7示出了另一种仿真示意图；
图8示出了根据图7所示方式进行仿真的结果；
图9示出了根据本发明实施例的另一种电流传感器的示意图；
图10示出了根据本发明实施例的另一种信号处理模块的示意图；
图11示出了根据本发明实施例的另一种电流传感器的示意图；
图12示出了根据本发明实施例的另一种信号处理模块的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。
本发明实施例提供的电流传感器，每个磁传感器单元分别连接至电源两端，磁传感器单元的输出端设置于第一磁电阻和第二磁电阻之间，从而多个磁传感器单元中的磁电阻实际上是并联设置的关系，即使有一个磁传感器单元损坏，其余磁传感器依然能够正常工作并输出测量结果。
此外，本发明实施例提供的电流传感器中，磁传感器单元环绕排布在待检测区域周围，该待检测区域用于穿设待测导线。根据“磁场的安培环路定理”：磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率”，即∮B·dl＝μI。本发明实施例所提供的电流传感器通过环绕排布在待测导线周围的磁传感器测量其所在位置处的磁感应强度，通过离散化的方式获取磁感应强度沿待测导线周围的闭合路径的线积分，从而可以求取闭合路径所包围的待测导线的电流值，并且该电流传感器的测量值不受待测导线位置误差的影响，也不受外界磁场的干扰(测量值仅与闭合图形内的电流值有关)。
实施例一
本发明实施例提供了一种电流传感器，如图2和图3所示，包括至少三个磁传感器单元，环绕排布在待检测区域周围，该待检测区域用于穿设待测导线。每个磁传感器单元包括第一磁电阻和第二磁电阻，第一磁电阻与第二磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端，并且第二磁电阻与第一磁电阻的磁敏感方向相反。每个磁传感器单元的输出端设置于第一磁电阻和第二磁电阻之间。这些磁传感器单元的输出端连接。
如图2和图3所示，磁传感器单元10a-10h按照闭合图形环绕排布在待测导线A周围，该闭合图形可以为圆形、椭圆形或中心对称的多边形等。磁传感器单元10a包括第一磁电阻11a和第二磁电阻12a，第一磁电阻11a的阻值随着其所在位置处磁感应强度的增大而增大(即正敏感方向)，第二磁电阻12a的阻值随着其所在位置处磁感应强度的增大而减小(即负敏感方向)；或者，第一磁电阻11a的阻值随着其所在位置处磁感应强度的增大而减小(即负敏感方向)，第二磁电阻12a的阻值随着其所在位置处磁感应强度的增大而增大(即正敏感方向)。其余磁传感器单元10b-10h也如此设置。磁传感器10a-10h的输出端Vo相接在一起。
本发明实施例提供的电流传感器的输出端相接，还能够较好地抑制待测导线位置偏移或外部均匀磁场带来的误差。理由如下：
以磁传感器单元以待检测区域为圆心，在待测导线周围排布成圆形阵列为例，假设第一磁电阻的阻值为R1＝R0+k·Bi，其中R0为第一磁电阻在磁感应强度为零时的阻值，Bi为第一磁电阻所在处的磁感应强度，k为第一磁电阻的变化率；第二磁电阻的阻值为R2＝R0-k·Bj，其中R0为第二磁电阻在磁感应强度为零时的阻值(磁感应强度为零时，第一磁电阻和第二磁电阻的阻值相等)，Bj为第二磁电阻所在处的磁感应强度，k为第二磁电阻的变化率。则所有磁传感器单元的输出端相接后输出的信号为
其中，Vcc为电源电压(即本申请附图中的VCC)，n为磁传感器单元的个数。
如果待测导线位于圆形阵列的圆心位置无偏移，则各个磁传感器单元处的磁感应强度相等，假设为B0，则输出可简化为
如果待测导线偏离圆心位置，或受到外部均匀磁场的影响，则
其中，δBi为第i个磁传感器单元相比与待测导线无偏移时的磁感应强度变化量。由于R0远大于电阻改变量k·B，对公式(3)取一阶近似为
其中，是n个磁传感器单元所在位置出磁感应强度变化量的平均值。这里，因此可以得到也即本发明实施例提供的电流传感器的输出端相接能够较好地抑制待测导线位置偏移或外部均匀磁场带来的误差。
此外，在实验数据方面，根据上述公式(1)，以磁传感器单元按照半径为25cm的圆形排列，待测导线位置偏离圆心一定位置(如图5所示)进行仿真，可得位置偏移量与电流传感器的测量误差之间的关系如图6所示。由图6可以看出，磁传感器单元的输出端相连使得多个磁电阻并联可以较好地抑制待测导线位置偏移带来的误差，并且磁传感器单元的数量越多，抑制误差的效果越好。
另外，根据上述公式(1)，以待测导线旁边有一通以相同电流的导线、且两根导线相距50mm(如图7)进行仿真，外部导线产生的误差如图8所示。由8可以看出，磁传感器单元的输出端相连使得多个磁电阻并联可以较好地抑制外部电流所产生磁场带来的误差，并且磁传感器单元的数量越多，抑制误差的效果越好。
需要说明的是，磁传感器10a-10h的输出端Vo相接后可以直接作为输出端。或者，作为本实施例的一种可选实施方式，如图4所示，输出端Vo相接后连接至第一运算放大器的第一输入端，第一运算放大器的第二输入端连接参考电压Vref。通过运算放大器对输出信号Vo进行放大能够使其数值更容易获取。
实施例二
本发明实施例提供了一种电流传感器，如图9所示，包括至少三个磁传感器单元，环绕排布在待检测区域周围，该待检测区域用于穿设待测导线。每个磁传感器单元包括第一磁电阻和第二磁电阻，第一磁电阻与第二磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端，并且第二磁电阻与第一磁电阻的磁敏感方向相反。每个磁传感器单元的输出端设置于第一磁电阻和第二磁电阻之间。
至少三个磁传感器单元包括第一磁传感器单元和第二磁传感器单元，其中，第一磁传感器单元和第二磁传感器单元中连接至相同电位源的磁电阻的磁敏感方向相反。第一磁传感器单元和第二磁传感器单元相互交错地环绕排布在待检测区域周围。第一磁传感器的输出端相接，第二磁传感器的输出端相接。
如图9所示，10x中的11x为第一磁电阻，12x为第二磁电阻，其中x为a-h中任意一者。磁传感器单元10a-10h中，10a、10c、10e、10g为第一磁传感器单元，其第一磁电阻为正磁敏感方向，并且均连接至VCC(即第一电位源)，第二磁电阻为负磁敏感方向，并且均连接至GND(即第二电位源)；10b、10d、10f、10h为第二磁传感器单元，其第一磁电阻为负磁敏感方向，并且均连接至VCC(即第一电位源)，第二磁电阻为正磁敏感方向，并且均连接至GND(即第二电位源)，与第一磁传感器单元相反。
需要说明的是，本发明实施例提供的电流传感器中的第一磁传感器单元的输出端相接、第二磁传感器单元的输出端相接后，可以连接至数字信号处理器、嵌入式处理器等模块，或者连接至运算放大器，对第一磁传感器输出信号与第二磁传感器输出信号进行处理得到差值信号作为电流传感器的输出值。
当连接至运算放大器时，如图10所示，第一磁传感器单元的输出端相接后(图9中的Vo1)连接至第二运算放大器的第一输入端，第二磁传感器单元的输出端相接后(图9中的Vo2)连接至第二运算放大器的第二输入端，运算放大器被配置为差分放大器，可将第一输入端、第二输入端信号的差值进行放大并输出。
本发明实施例提供的电流传感器的输出端相接，能够较好地抑制待测导线位置偏移或外部均匀磁场带来的误差。具体请参见实施例一，区别在于，本发明实施例提供的电流传感器的输出电压Vo2-Vo1＝2*(Vo-Vcc/2)。
实施例三
本发明实施例提供了一种电流传感器，如图11所示，包括至少三个磁传感器单元，环绕排布在待检测区域周围，该待检测区域用于穿设待测导线。每个磁传感器单元包括第一磁电阻和第二磁电阻，第一磁电阻与第二磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端，并且第二磁电阻与第一磁电阻的磁敏感方向相反。每个磁传感器单元的输出端设置于第一磁电阻和第二磁电阻之间。
每个磁传感器单元还包括第三磁电阻和第四磁电阻，第三磁电阻和第四磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端。其中，第四磁电阻与第三磁电阻的磁敏感方向相反。每个磁传感器单元中，连接同一电位源的磁电阻的磁敏感方向相反。磁传感器单元的第一输出端设置于第一磁电阻和第二磁电阻之间，第二输出端设置于第三磁电阻和第四磁电阻之间。每个磁传感器单元的第一输出端相接，第二输出端相接。
如图11所示，磁传感器单元20a-20d环绕排布在待检测区域周围，对于磁传感器单元20y为例(其中y可以为a、b、c或d)，其包括第一磁电阻21y、第二磁电阻22y、第三磁电阻23y和第四磁电阻24y。第一磁电阻21y和第四磁电阻24y均为正磁敏感方向，第二磁电阻22y和第三磁电阻23y均为负磁敏感方向。第一磁电阻21y和第三磁电阻23y连接至同一电位源(VCC)，第二磁电阻22y和第四磁电阻24y连接至同一电位源(GND)。第一输出端设置于第一磁电阻21y和第二磁电阻22y之间，第二输出端设置于第三磁电阻23y和第四磁电阻24y之间。每个磁传感器单元的第一输出端相接(图11中的V+)，每个磁传感器单元的第二输出端相接(图11中的V-)。
需要说明的是，本发明实施例提供的电流传感器中，磁传感器单元的第一输出端相接、第二输出端相接后，可以连接至数字信号处理器、嵌入式处理器等模块，或者连接至运算放大器，对磁传感器单元第一输出端与磁传感器单元第二输出端的信号进行处理得到差值信号作为电流传感器的输出值。
当连接至运算放大器时，如图12所示，磁传感器单元第一输出端相接后(图11中的V+)连接至第三运算放大器的第一输入端，磁传感器单元第二输出端相接后(图11中的V-)连接至第三运算放大器的第二输入端，运算放大器被配置为差分放大器，可将其第一输入端、第二输入端信号的差值进行放大并输出。
本发明实施例提供的电流传感器的输出端相接，能够较好地抑制待测导线位置偏移或外部均匀磁场带来的误差。具体请参见实施例一，区别在于，本发明实施例提供的电流传感器的输出电压V+-V-＝2*(Vo-Vcc/2)。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (7)
1.一种电流传感器，其特征在于，包括：
至少三个磁传感器单元，环绕排布在待检测区域周围，所述待检测区域用于穿设待测导线；每个磁传感器单元包括：
第一磁电阻；
第二磁电阻，与所述第一磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端；其中，所述第二磁电阻与所述第一磁电阻的磁敏感方向相反；每个磁传感器单元的输出端设置于所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间；
每个磁传感器单元的输出端与其他磁传感器单元中至少一者的输出端相接；
所述至少三个传感器单元的输出端相接；或者，所述至少三个磁传感器单元包括第一磁传感器单元和第二磁传感器单元，其中，所述第一磁传感器单元和所述第二磁传感器单元中连接至相同电位源的磁电阻的磁敏感方向相反，所述第一磁传感器单元和所述第二磁传感器单元相互交错地环绕排布在所述待检测区域周围；所述第一磁传感器的输出端相接，所述第二磁传感器的输出端相接。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器还包括：
第一运算放大器，所述至少三个磁传感器单元的输出端相接后连接至所述第一运算放大器的第一输入端，所述第一运算放大器的第二输入端连接参考电压。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器还包括：
第二运算放大器，所述第一磁传感器单元的输出端相接后连接至所述第二运算放大器的第一输入端连接，所述第二运算放大器的第二输入端连接至每个第二磁传感器单元中第一磁电阻和第二磁电阻之间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述至少三个磁传感器单元按照预定几何图形均匀排布在所述待检测区域周围，所述预定几何图形包括圆、椭圆或中心对称的多边形。
5.一种电流传感器，其特征在于，包括：
至少三个磁传感器单元，环绕排布在待检测区域周围，所述待检测区域用于穿设待测导线；每个磁传感器单元包括：
第一磁电阻；
第二磁电阻，与所述第一磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端；其中，所述第二磁电阻与所述第一磁电阻的磁敏感方向相反；每个磁传感器单元的输出端设置于所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间；
每个磁传感器单元的输出端与其他磁传感器单元中至少一者的输出端相接；
每个磁传感器单元还包括：
第三磁电阻；
第四磁电阻，与第三磁电阻串联，串联后的两端分别连接电源两端；其中，第四磁电阻与第三磁电阻的磁敏感方向相反；
每个磁传感器单元中，连接同一电位源的磁电阻的磁敏感方向相反；
所述磁传感器单元的第一输出端设置于所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间，第二输出端设置于所述第三磁电阻和所述第四磁电阻之间；
每个磁传感器单元的第一输出端相接，第二输出端相接。
6.根据权利要求5所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器还包括：
第三运算放大器，每个磁传感器单元的第一输出端相接后连接至所述第三运算放大器的第一输入端，每个磁传感器单元的第二输出端相接后连接至第三运算放大器的第二输入端。
7.根据权利要求5至6任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述至少三个磁传感器单元按照预定几何图形均匀排布在所述待检测区域周围，所述预定几何图形包括圆、椭圆或中心对称的多边形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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