CN101271130A

CN101271130A - 点阵式霍尔电流传感器

Info

Publication number: CN101271130A
Application number: CNA2008100467615A
Authority: CN
Inventors: 窦峭奇
Original assignee: WUHAN GLORY OPTIC-ELECTRIC TRANSFORMER Co Ltd
Current assignee: WUHAN GLORY OPTIC-ELECTRIC TRANSFORMER Co Ltd
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2008-09-24

Abstract

本发明涉及点阵式霍尔电流传感器，包括一个由N个霍尔元件组成的阵列、印刷电路板、增益调整电路和输出累加电路，采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过路径的中心轴，增益调整电路也分布印刷电路板上确定每个霍尔元件对应霍尔电势的加权系数，并且将处理后的信号经输出累加电路直接相加，得到归一化后的总霍尔电势，N为大于零的自然数。本发明克服了铁磁材料给霍尔电流传感器带来的诸如线性度变差、动态范围小、体积重量增加、成本过高等方面的缺陷。

Description

点阵式霍尔电流传感器

技术领域

本发明涉及一种利用霍尔效应原理的点阵式霍尔电流互感器，用于测量交流电流或者直流电流。

背景技术

霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量。霍尔元件又被称作霍尔片，因为它是一种半导体薄片。作为一种技术成熟且应用广泛的磁场检测元件，霍尔元件是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基础的。开环型霍尔电流传感器以铁磁材料作为导磁体，而将霍尔元件放置在导磁体的气隙中，很明显，铁磁部分磁阻远远小于气隙的磁阻，在一定范围内，气隙中的磁感应强度与被测电流保持稳定的线性关系，测量气隙内的磁感应强度，结合气隙铁芯的传感系数即可获得被测电流的大小。采用铁磁材料的主要作用有二：1、铁磁材料可有效屏蔽外界磁场，消除外界电流或磁场对开环型电流传感器的影响，从而使得传感器的总霍尔电势对外界磁场或电流的感应为零。2、起到聚磁的作用，增强被测电流产生的磁感应强度。开环型霍尔电流传感器往往精度不高，一般可达10^-2级，被测电流与互感器额定电流相比较小时，测量误差会急剧增加，其主要原因是：由于铁磁材料存在磁滞和损耗，当被测电流在较大范围内变化时，气隙中的磁感应强度与电流之间的线性关系会发生一定变化，特别是较小电流时，这种偏差尤为明显。

闭环型霍尔电流传感器沿用了比较仪的零磁通原理，在开环型霍尔电流传感器的基础上进行了一系列改进，首先是在带气隙的铁磁材料上均匀布置一个平衡绕组，其次霍尔元件不再用以直接检测电流的大小，而作为一个剩余磁通检测单元，霍尔元件的输出霍尔电势控制驱动一定大小的电流通过平衡绕组。稳态下，平衡绕组与被测电流保持良好的线性关系，比例系数为平衡绕组的绕线匝数与被测电流绕线匝数的比值，通过检测平衡绕组中的电流大小即可得到被测电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠，准确度可高达10^-3级甚至更高，但是，平衡电路的驱动能力有限，制作大电流闭环霍尔电流传感器是比较困难且十分昂贵的。

开环型霍尔电流传感器由于气隙铁芯的非线性，准确度不高，动态范围小，响应速度慢；闭环型霍尔电流传感器准确度有所提高，但是获得较大的补偿电流比较困难且十分不经济，不太适合于大电流测量。

发明内容

本发明提供一种新型的点阵式霍尔电流传感器，它完全克服了传统的霍尔电流传感器的缺陷，传统的霍尔电流传感器的主要缺点都与铁芯有关，这种新型的点阵式霍尔电流传感器从根本上排除铁芯的存在，从而克服了铁磁材料给霍尔电流传感器带来的诸如线性度变差、动态范围小、体积重量增加、成本过高等方面的缺陷。

点阵式霍尔电流传感器，包括一个由N个霍尔元件组成的阵列、印刷电路板、增益调整电路和输出累加电路，其特征在于：采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过路径的中心轴，增益调整电路及输出累加电路也分布于印刷电路板上，增益调整电路由N个放大电路组成，放大电路由N个运算放大器，若干个电阻组成，每个运算放大器分别与电阻连接成与霍尔元件一一对应的放大电路，且放大电路采用现有的放大电路，每个放大电路与霍尔元件一一对应的连接，然后再通过1个运算放大器和若干个电阻构成的输出累加电路将各放大电路的输出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出，N为大于零的自然数。

若点阵式霍尔电流传感器使用在邻相电流比较近或者外界干扰磁场比较强烈和复杂的场合，将N个霍尔元件组成的阵列放于一个圆筒形的屏蔽筒中，N为大于零的自然数。

N个霍尔元件均匀对称的分布在一定大小闭合路径的印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过闭合路径的中心轴，N为大于零的自然数。

将N个霍尔元件均匀对称的分布在一定大小圆周的印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过圆周的中心轴，N为大于零的自然数。

将N个霍尔元件分布在一个非闭合路径的印刷电路板上，N为大于零的自然数，根据全电流定律可知N个霍尔元件应该分布在一个闭合路径的印刷电路板中，实际上如果不是一个闭合路径也能取得一定精度的测量结果，可以应用在精度要求不是很高的场合下。

点阵式霍尔电流传感器主要由霍尔元件阵列和增益调整电路及输出累加电路组成，点阵式霍尔电流传感器没有使用铁磁材料，依据的是一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，当采用的霍尔元件数量足够多，所有霍尔元件均匀对称的分布在一定大小的圆周上，且单个霍尔元件所在平面穿过该圆周的中心轴时，根据安培定律，构造的点阵式霍尔电流传感器的测量结果与载流导线的形状和位置无关，且在该点阵式霍尔电流传感器外部的任何电流或磁场在该传感器上的响应为零。因此，本发明从技术效果来说，具有和含有铁芯的霍尔电流传感器同样的抗外界磁场干扰的效果，同时还具有线性度好，动态范围宽，体积小，重量轻等含有铁芯的霍尔电流传感器不具备的优点。

本发明的点阵式霍尔电流传感器基本原理如下：

理想的点阵式霍尔电流传感器需要满足的四条基本假设是：使用的霍尔元件数量足够多；霍尔元件在一定大小的圆周上对称均匀分布；霍尔元件的磁敏感特性一致；霍尔元件构成的圆周的中心轴在所有的霍尔元件的磁敏感薄膜所在平面上。

以采用十六个霍尔元件均匀对称的呈圆形分布在载流导线的周围为例，如图1所示，即为点阵式霍尔电流传感器的基本模型。第i个霍尔元件所在点的磁感应强度记作B_i，由霍尔效应，可得：

e_i＝KgB_i

由假设条件可以得到所有霍尔元件的霍尔电势相等，总的霍尔电势之和为：

e_{Sensor} = Σ_{i = 1}^{N} e_{i} = Kg Σ_{i = 1}^{N} B_{i} = \frac{μ_{0} NK}{2 πr} i = K^{*} gi

K^{*} = \frac{μ_{0} NK}{2 πr}

点阵式霍尔电流传感器的总霍尔电势与被测电流之间的比例系数为K^*，K^*与真空中的磁导率μ₀、霍尔元件个数N、单个霍尔元件的传感系数K、霍尔元件至载流导线中心轴的距离r等因素有关，通过已知的参数可以容易的求解传感器的传感系数K^*，点阵式霍尔电流传感器通过测量总霍尔电势即可得到被测电流的准确值。

测得每个霍尔元件的霍尔系数K_i，通过修正系数将其修正为统一的霍尔系数K。图3是采用的增益调整电路和输出累加电路模型，当满足下式时，将处理后的信号通过运算放大器构成的输出累加电路将各放大电路的输出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出，即可得到归一化后的总霍尔电势，该调整电路有效的消除了单个霍尔元件的霍尔系数之间的差异。

\frac{R}{R_{i}} = \frac{K^{*}}{K_{i}}

Σ e_{i}^{*} = Σ \frac{R}{R_{i}} K_{i} B_{i} = K^{*} Σ B_{i}

本发明所述点阵式霍尔电流传感器：

1、该新型的点阵式霍尔电流传感器彻底排除了铁磁材料，当采用的霍尔元件数量足够多，所有霍尔元件均匀对称的分布在一定大小的圆周上，且单个霍尔元件所在平面穿过该圆周的中心轴时，根据安培定律，构造的点阵式霍尔电流传感器的测量结果与载流导线的形状和位置无关，且在该点阵式霍尔电流传感器外部的任何电流或磁场在该传感器上的响应为零，即该电流传感器模型具有很强的抗外界干扰的能力。

2、该新型点阵式霍尔电流传感器采用印刷电路板技术解决多个霍尔元件均匀对称分布的问题，即能保证霍尔元件构成的圆周的中心轴在所有的霍尔元件的磁敏感薄膜所在平面上。

3、该新型点阵式霍尔电流传感器采用增益调整电路解决多个霍尔元件的霍尔系数不同的问题，保证了霍尔元件的磁敏感特性一致。通过1个运算放大器构成的输出累加电路将增益调整后的各放大电路的输出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出，即可得到归一化后的总霍尔电势。

4、该新型点阵式霍尔电流传感器采用了基于印刷电路板的元件布置方法和增益调整电路的补偿措施，基于PCB的霍尔元件布置技术和增益调整技术是点阵式霍尔电流传感模型实现的两个最主要的关键技术。

5、根据全电流定律可知N个霍尔元件应该分布在一个闭合路径的印刷电路板中，实际上如果不是一个闭合路径也能取得一定精度的测量结果，可以应用在精度要求不是很高的场合下。

本发明的点阵式霍尔电流传感器没有使用铁磁材料，依据的是一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，当采用的霍尔元件数量足够多，采用PCB板将所有霍尔元件均匀对称的分布在闭合路径上，且单个霍尔元件所在平面穿过闭合路径的中心轴时，根据安培定律，构造的点阵式霍尔电流传感器的测量结果与载流导线的形状和位置无关，且在该点阵式霍尔电流传感器外部的任何电流或磁场在该传感器上的响应为零。而采用增益调整电路解决多个霍尔元件的霍尔系数不同的问题，解决了霍尔元件的磁敏感特性一致性的问题。这样就满足了理想点阵式霍尔电流传感器的四个条件。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的增益调整电路和输出累加电路原理图。

具体实施方式

本发明摒弃了传统的铁心结构，依据一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，构造了理想的点阵式霍尔电流传感器。该理想的点阵式霍尔电流传感器需要满足的四条基本假设是：使用的霍尔元件数量足够多；霍尔元件在闭合路径上对称均匀分布；霍尔元件的磁敏感特性一致；霍尔元件构成的闭合路径的中心轴在所有的霍尔元件的磁敏感薄膜所在平面上。

本发明依据一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，当霍尔元件数量足够多，采用PCB板将所有霍尔元件均匀对称的分布在一定大小的圆周上，且单个霍尔元件所在平面穿过该圆周的中心轴时，根据安培定律，构造的点阵式霍尔电流传感器的测量结果与载流导线的形状和位置无关，且在该点阵式霍尔电流传感器外部的任何电流或磁场在该传感器上的响应为零。而采用增益调整电路解决多个霍尔元件的霍尔系数不同的问题，解决了霍尔元件的磁敏感特性一致性的问题。因此本发明采取的技术手段满足了理想点阵式霍尔电流传感器的四个条件。

以额定电流3kA的十六点霍尔元件电流传感器为例，具体步骤为：

1、确定霍尔元件分布圆周的尺寸。点阵式霍尔电流传感器的应用对象是较大幅值、较低频率电流的测量，选用的霍尔元件应该有较小的尺寸、较大的动态范围、良好的线性度、理想的温度稳定性能、低廉的价格。

综合考虑额定电流和选用的霍尔器件的特性，基本确定霍尔元件分布圆周尺寸的公式如下：

R_{\min} = \frac{μ_{0} i_{e}}{2 π B_{\max}}

其中，R_min为圆周的最小半径，i_e为额定电流，B_max为霍尔元件线性区域的最大磁感应强度。上式提供了确定圆周尺寸的大致准则，为了保证点阵式霍尔电流传感器测量的准确度，霍尔元件的圆周尺寸必须考虑一定的余量，一般取实际半径为2R_min，这样即使载流导线的偏移引起个别霍尔元件所处位置磁感应强度大于平均值，亦或邻相电流等外界干扰电流产生的磁场增加了个别霍尔元件处的磁感应强度，都不至于因为个别霍尔元件因为处在非线性区域而影响了整个传感阵列的测量准确度。

值得注意的是，当点阵式霍尔电流传感器使用在邻相电流比较近或者外界干扰磁场比较强烈和复杂的场合时，将整个传感阵列处于一个圆筒形的屏蔽中是十分必要的。

2、设计增益调整电路。增益调整电路的作用是测得每个霍尔元件的实际霍尔系数，利用加权的方法采用增益电路对所有霍尔元件的霍尔电势进行归一化处理。增益调整电路特征在于确定每个霍尔元件对应霍尔电势的加权系数。

3、确定参数，消除零点电势。标准磁场由一个带一定绕组的开口铁芯产生，铁芯的开口为2mm，霍尔元件恰能放入且位置固定，绕组上通以幅值1A工作频率50Hz的电流。之所以选用工作频率50Hz的交流电流产生的磁场，是为了排除霍尔元件零点电势的影响，作为半导体器件，当霍尔元件在一定电压或电流激励下，所处的磁感应强度为零时，输出霍尔电势往往并不为零，这个基本稳定幅值约数mV的信号被称为零点电势，消除零点电势是准确测量霍尔系数的基本保障。逐个将霍尔元件放置在铁芯的气隙中，霍尔元件上的激励电压保持不变，测量每个霍尔元件的霍尔电势中50Hz的分量，记录下绝对值，将这些绝对值进行比较即可得到增益调整电路的相对加权系数，通过计算的系数来确定图3中R₁-R₁₆的值，确定电阻值的依据是：在相同磁感应强度的作用下，所有霍尔元件的输出霍尔电势经增益调整后的大小相等。

4、运算放大器构成的输出累加电路将上述各增益调整后的放大电路输出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出。

以上是以十六个霍尔元件构成的圆周点阵式霍尔电流传感器为例说明的，如果霍尔元件不是构成一个圆周而是构成一个长为a，宽为b的矩形，且a≥b，则具体实施方式除了第一步确定尺寸和圆型不同，设计增益调整电路、确定参数和运算放大器构成的输出累加电路都与圆型相同。具体实施方式如下：

由于

R_{\min} = \frac{μ_{0} i_{e}}{2 π B_{\max}}

其中，i_e为额定电流，B_max为霍尔元件线性区域的最大磁感应强度，R_min为最大磁感应强度的圆周的最小半径，为了保证每个霍尔元件都能处于线性区域而又获得最大磁感应强度，考虑到余量，可取b＝4R_min。

本发明的结构主要由两部分组成：霍尔元件阵列1、增益调整电路和输出累加电路2。以十六个霍尔元件的点阵式霍尔电流传感器为例，主要由十六个霍尔元件、一块印刷电路板3、17个运算放大器，81个电阻组成，一次载流导线4从霍尔元件阵列1中心穿过，印刷电路板3为霍尔元件实行了精确的定位，同时为霍尔元件、运算放大器和电阻提供了牢固可靠的支撑，印刷电路板上装有一个稳压管为霍尔元件提供稳定的直流电压激励，由运算放大器构成的增益调整电路实现了增益调整和校准的双重功效。该霍尔电流传感器需要外界提供直流电源以使得霍尔元件和增益调整电路正常工作。

若点阵式霍尔电流传感器使用在邻相电流比较近或者外界干扰磁场比较强烈和复杂的场合，将整个霍尔元件阵列放于一个圆筒形的屏蔽筒5中。

Claims

1. 点阵式霍尔电流传感器，包括一个由N个霍尔元件组成的阵列、印刷电路板、增益调整电路和输出累加电路，其特征在于：采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件磁敏感薄膜所在平面穿过路径的中心轴，增益调整电路和输出累加电路也分布印刷电路板上，增益调整电路由N个放大电路组成，N个放大电路由N个运算放大器，若干个电阻组成，每个运算放大器分别与电阻连接成与霍尔元件一一对应的放大电路，每个放大电路与霍尔元件一一对应的连接，再采用1个运算放大器和若干个电阻构成的输出累加电路将各放大电路的输出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出，N为大于零的自然数。

2. 根据权利要求1所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于：将N个霍尔元件组成的阵列放于一个圆筒形的屏蔽筒中，N为大于零的自然数。

3. 根据权利要求1或2所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于：N个霍尔元件均匀对称的分布在一定大小闭合路径的印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过闭合路径的中心轴，N为大于零的自然数。

4. 根据权利要求3所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于：将N个霍尔元件均匀对称的分布在一定大小圆周的印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过圆周的中心轴，N为大于零的自然数。

5. 根据权利要求1或2所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于：将N个霍尔元件分布在一个非闭合路径的印刷电路板上，N为大于零的自然数。