[發明專利]一種單磁芯四氣隙開環霍爾電流傳感器

在審

• 申請號: 201910285621.1
• 申請日: 2019-04-10
• 公開（公告）號: CN110095643A
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 譚超;龔曉輝;楊哲;樂周美;吳晨光;李興林
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 吳思高

一種單磁芯四氣隙的開環霍爾電流傳感器，包括一個磁環，所述磁環開設有四個寬度相同的開口氣隙作為傳感器磁路，每一個開口氣隙處放置一個霍爾芯片，四個霍爾芯片輸出端接入加法器。四個霍爾芯片特性完全一致。本發明一種單磁芯四氣隙的開環霍爾電流傳感器，該傳感器能夠在明顯解決磁芯過飽和問題的同時，降低因導線位置而產生的誤差。

技術領域

本發明涉及一種霍爾電流傳感器，具體是一種單磁芯四氣隙開環霍爾電流傳感器。

背景技術

霍爾電流傳感器因其良好精度、測交直流、不需要和原電路相接觸，能實現mA～kA量程的在線監測等特點，廣泛應用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。開環霍爾電流傳感器因其結構簡單、低成本、低功耗等特點，廣泛的應用于工業級大電流測量(200A以上)。閉環霍爾電流傳感器因為其閉環結構較開環霍爾電流傳感器而言，在精度，溫漂上有一定優勢，但是當測量200A以上大電流時候，閉環霍爾電流傳感器受制于電流傳感器的體積、工藝復雜性、成本、功耗等，不利于工業級大電流的在線監測。

現有單氣隙開環霍爾電流傳感器原理為：當被測電流I_P通過磁芯時，產生一個磁場，磁芯用于聚磁，放大磁感應強度的幅度，同時降低外界磁場干擾。但是有一個明顯限制，因為提供聚磁效應的磁芯是軟磁材料，如鐵氧體，當被測電流I_P過大時，易導致磁芯過飽和，從而影響傳感器輸出。

現有解決方式分為兩類：一是增大傳感器磁芯的幾何尺寸；二是不用磁芯提供聚磁效應，用多個霍爾器件組成的列陣直接測量被測電流I_P周圍產生的磁場。這兩種方法都有一定缺陷：增大傳感器磁芯的幾何尺寸必然導致傳感器體積過大，不符合目前發展趨勢；霍爾列陣容易受到外界磁場的干擾，且被測導線必須置于列陣中心處，否則會造成很大測量誤差。

發明內容

為了克服現有開環霍爾電流傳感器測量大電流時，易導致磁芯過飽和的問題，本發明提供一種單磁芯四氣隙的開環霍爾電流傳感器，該傳感器能夠在明顯解決磁芯過飽和問題的同時，降低因導線位置而產生的誤差。

本發明采取的技術方案為：

一種單磁芯四氣隙的開環霍爾電流傳感器，包括一個正方形磁環，所述正方形磁環開設有四個寬度相同的開口氣隙作為傳感器磁路，每一個開口氣隙處放置一個霍爾芯片，四個霍爾芯片輸出端接入加法器。四個霍爾芯片特性完全一致。

所述加法器連接比例放大器，用于將四個霍爾芯片輸出端的輸出電壓相加，得到輸出電壓之和，并通過比例放大器對輸出電壓之和和進行放大或縮小，得到與待測電流呈正比的電壓輸出。

本發明霍爾電流傳感器原理為圖1所示，當被測電流I_P通過傳感器磁芯時，導線周圍產生的磁場由磁芯的聚磁作用，使四個霍爾芯片N1、N2、N3、N4上方各產生一個磁感應強度為B的磁場，從而四個霍爾芯片各輸出一個電壓U，經過由第一運算放大器TS922組成的加法器，為達到目標增益，再接由第二運算放大器TS922構成的同相比例放大電路，所以輸出電壓U_O如下：

本發明霍爾電流傳感器具體通過三個部分實現，其分別為：

用于提供聚磁效應的四氣隙磁路；

用于將四個霍爾器件產生電壓相加的加法器和同相比例放大器；

傳感器結構本身設計。

所述四氣隙磁路具體為：一個相同磁芯、開四個寬度一樣的氣隙、并且四個氣隙關于磁芯中心處對稱。

對于一根通電導線，其長度足夠長，通過電流為I_P，其在距離中心r處產生的磁感應強度B可以用以下公式表示：