Pcb型空心線圈電流傳感器的製作方法
2023-04-30 06:00:51 2
專利名稱：Pcb型空心線圈電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電流傳感器，特別涉及一種PCB型空心線圈電流傳感器。
背景技術：
電子式電能表和繼電微機保護裝置中常用電流傳感器來測量電流，所用的電流傳感器有主要小型的電磁式電流互器器、小電阻電流旁路傳感器器及霍爾效應傳感器。電磁式電流互感器在測量很大或很小的電流時，由於勵磁電流的影響，會產生較大的數值誤差和相角誤差。此外，鐵芯使用的鐵氧體材料在大電流下會飽和，而且磁化後鐵芯還會產生磁滯現象，除非重新去磁，否則精度就會下降。因此小型的電磁式電流互器器用作電流測量時，其測量精度較低，尤其電流過大或過小時，測量誤差大，且易受外界電磁幹擾的影響。
小電阻電流旁路技術可用較低成本得到較高精度，而且電流的測量也很簡單。在進行高精度電流測量時，需要考慮旁路的寄生電感，該電感量典型值為幾個nH，頻率較高時它將影響旁路阻抗的幅值。但它對相位的影響即使在工頻條件下仍非常大，功率因素較低時會產生明顯誤差；並且這個技術因旁路電阻產生熱量以及被測電流與確立電壓之間缺少電流隔離而遭受損害，尤其大電流測量中，自熱更嚴重。
霍爾效應傳感器有兩種主要類型，即開環型和閉環型，電能表中使用的絕大多數霍爾傳感器均採用開環型設計以降低系統費用。霍爾傳感器具有突出的頻率響應特性，能夠測量非常大的電流。但霍爾傳感器受溫度影響大，價格昂貴，並易受外界電磁幹擾。
因此，以上的電流傳感技術都存在很多不足，更重要的一點是它們都易受外界磁場的幹擾，該磁場可能是遠端產生的交變磁場(均勻磁場)或由流經位於電流傳感器附近的導線的電流所產生的。電流傳感器用作收費電能表計量的場合時，尤其重要的是，不能過度敏感於外界磁場的影響。
發明內容
為解決現有電流傳感器所存在的精度低、抗幹擾能力低的問題，本發明提供一種結構簡單、線性度高、抗幹擾能力強的PCB型空心線圈電流傳感器。
本發明解決上述技術問題的技術方案是設有一層或多層PCB電路板，每層PCB板上設有4以上的偶數個相同的平面螺旋線圈，每塊PCB板上的螺旋線圈對稱分布，每層相鄰的螺旋線圈依次串接，層與層之間的螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為輸出端，構成二次線圈；一次線圈緊繞每層半數彼此不相鄰的螺旋線圈構成一匝或多匝環路。
上述的PCB型空心線圈電流傳感器中，所述二次螺旋線圈為大小均勻逐增的矩形、圓形、1/4圓形和三角形中的任一種，且層與層之間相應的二次螺旋線圈共軸。
上述的PCB型空心線圈電流傳感器中，所述一次線圈圍繞每層PCB上半數彼此不相鄰的螺旋線圈直接印製於PCB上，或另用導電體鑲嵌在PCB上。
上所述的PCB型空心線圈電流傳感器中，所述PCB所有層上相應的一次螺旋線圈和二次螺旋線圈共軸。
一種PCB型空心線圈電流傳感器，設有一層或多層PCB電路板，PCB板部分層或所有層上分別設有4以上的偶數個相同的平面螺旋線圈，每塊PCB板上的螺旋線圈對稱分布，每層相鄰的螺旋線圈依次串接，層與層上的螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為輸出端，構成二次線圈；圍繞每個二次螺旋線圈嵌套製作與其形狀相同的一次螺旋線圈，每層相鄰的一次螺旋線圈依次串接構成一次線圈，層與層之間的一次螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為被測電流輸入端。
上述的PCB型空心線圈電流傳感器中，所述一次螺旋線圈、二次螺旋線圈均為大小均勻逐增的矩形、圓形、1/4圓形和三角形中的任一種，且層與層之間相應的二次螺旋線圈共軸。
上述的PCB型空心線圈電流傳感器中，所述一次線圈圍繞每層PCB上每個二次螺旋線圈直接印製於PCB上。
上述的PCB型空心線圈電流傳感器中，所述PCB所有層上相應的一次螺旋線圈和二次螺旋線圈共軸。
本發明的技術效果1)本空心線圈電流傳感器採用空心線圈，沒有鐵磁材料，不會因被測電流大而飽和，具有很高的線性度，且頻帶寬；2)本空心線圈電流傳感採用多個均勻分布的傳感線圈串接組成，外界幹擾磁場在相鄰線圈之間所產生的感應電動勢大小相等、方向相反，最終串接相互抵消，起到了對外界幹擾磁場無響應的作用，不需另外加電磁屏蔽層，且保證了測量精度；3)本空心線圈電流傳感器可採用PCB製作，可顯著降低成本、製作工藝精細、便於批量生產，且受溫度影響小，還便於與電子式電能表和微機保護裝置中的電子電路集成。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明實施例1頂層的線圈結構示意圖。
圖2為本發明實施例1底層的線圈結構示意圖。
圖3為本發明傳感線圈響應被測電流的原理圖。
圖4為本發明相對附近大電流產生的幹擾磁場無響應的原理圖。
圖5為本發明實施例2頂層的線圈結構示意圖。
圖6為本發明實施例3的結構示意圖具體實施方式
參見圖1，圖1為PCB電流傳感器頂層上的繞線圖，9、10、11、12均為PCB上印製線構成的螺旋線圈，它們緊圍繞一個中心均勻分布；1、2、3、4均為PCB上的過孔，連接上下層螺旋線圈，13為傳感線圈的輸出端(PCB型空心線圈電流傳感器的二次輸出端)。當遠端產生幹擾的交變磁場穿過該層的傳感線圈時，9與11兩螺旋線圈產生的感應電動勢大小相等、方向相反，串接從而相互抵消，10與12產生的感應電動勢也會同樣相互抵消。
圖2顯示了以上所述的PCB電流傳感器底層上的繞線圖，同樣5，6，7，8均為PCB上印製線構成的螺旋線圈，緊圍繞一個中心均勻分布，以上兩個中心實質上為同一個中心。當遠端產生幹擾的時變磁場垂直穿過圖2這層的傳感線圈時，5與6兩螺旋線圈產生的感應電動勢大小相等、方向相反，串接從而相互抵消，7與8產生的感應電動勢也會同樣相互抵消。外界幹擾磁場水平穿過上述的傳感線圈時，傳感線圈無感應。
圖4中，15、16、17均為以上所述的PCB電流傳感器附近的導體，並可通過大電流。當導體15中通以交流電流時，相對傳感器產生幹擾的交變磁場，而螺旋線圈5與6因該幹擾磁場產生的感應電動勢大小相等、方向相反，串接相互抵消，同樣7與8由此產生的感應電動勢也會相互抵消。當導體16中通以交流電流時，產生幹擾磁場，小線圈5與7因該幹擾磁場產生的感應電動勢大小相等、方向相反，串接相互抵消，同樣6與8由此產生的感應電動勢也會相互抵消。當導體17中通以交流電流時，產生幹擾磁場，5與8因該幹擾磁場產生的感應電動勢方向相同，6與7因該幹擾磁場產生的感應電動勢方向相同，而5、8與6、7因該幹擾磁場產生的感應電動勢方向相反，又直導線17中電流產生的是一個線形梯度磁場，那麼5、8因該幹擾磁場產生的感應電動勢之和與6、7因該幹擾磁場產生的感應電動勢之和大小相等，方向相反，最終串接相互抵消。同樣，9、10、11、12螺旋線圈因附近電流幹擾產生的感應電動勢也會完全抵消。
因此，以上所述的PCB空心線圈電流傳感器對外界電磁幹擾無響應。
圖3顯示了以上所述的PCB電流傳感器測量原導體中電流的原理圖。14為原導體(通過被測電流)，18為被測電流的進出口。其中原導體一般用一定厚度和寬度的銅材製作成如圖所示的環形，鑲嵌在PCB上。原導體也可以直接由較寬的印製線製作在PCB上。PCB上下都可布置原導體，且原導體的環形有多樣，14僅為其中優選的一種；PCB還可製作成多層板，增加傳感線圈的總匝數。當原導體中通過被測交流電流時，PCB該層(上層)的所有螺旋線圈(9、10、11、12)產生的感應電動勢方向相同，同樣PCB底層的螺旋線圈(5、6、7、8)產生的感應電動勢方向也相同，且以上兩層中所有的螺旋線圈產生的感應電動勢方向都相同，串接相互疊加，通過傳感線圈輸出端13輸出一個與被測電流相對應的電壓信號。
圖5中31為PCB空心線圈電流傳感器原導體，32為其二次線圈，整個傳感線圈的俯視圖基本成圓形。
圖6中，41、42分別為PCB電流傳感器的一次線圈和二次線圈。一次線圈41印製在PCB的第一層上，二次線圈42印製在PCB的第二層上。PCB的第三層上印製類似圖2中的螺旋線圈作為一次線圈，並通過過孔34、36、37、39與PCB第一層上的一次線圈連接。PCB的第四層上印製類似圖2中的螺旋線圈作為二次線圈，並通過過孔33、35、38、40與PCB第二層上的二次線圈連接。一次螺旋線圈與二次螺旋線圈也可以印製在PCB的相同層上。依照這種方法，一次線圈和二次線圈都不會受到外界電磁幹擾的影響，還可以增加更多的層，或串接多塊PCB，增加其互感係數。
權利要求
1.一種PCB型空心線圈電流傳感器，其特徵在於設有一層或多層PCB電路板，每層PCB板上設有4以上的偶數個相同的平面螺旋線圈，每塊PCB板上的螺旋線圈對稱分布，每層相鄰的螺旋線圈依次串接，層與層之間的螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為輸出端，構成二次線圈；一次線圈緊繞每層半數彼此不相鄰的螺旋線圈構成一匝或多匝環路。
2.根據權利要求1所述的PCB型空心線圈電流傳感器，其特徵在於所述二次螺旋線圈為大小均勻逐增的矩形、圓形、1/4圓形和三角形中的任一種，且層與層之間相應的二次螺旋線圈共軸。
3.根據權利要求1所述的PCB型空心線圈電流傳感器，其特徵在於所述一次線圈圍繞每層PCB上半數彼此不相鄰的螺旋線圈直接印製於PCB上或另用導電體鑲嵌在PCB上。
4.一種PCB型空心線圈電流傳感器，其特徵在於設有一層或多層PCB電路板，PCB板部分層或所有層上分別設有4以上的偶數個相同的平面螺旋線圈，每層PCB板上的螺旋線圈對稱分布，每層相鄰的螺旋線圈依次串接，層與層上的螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為輸出端，構成二次線圈；圍繞每個二次螺旋線圈嵌套製作與其形狀相同的一次螺旋線圈，每層相鄰的一次螺旋線圈依次串接構成一次線圈，層與層之間的一次螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為被測電流輸入端。
5.根據權利要求4所述的PCB型空心線圈電流傳感器，其特徵在於所述一次螺旋線圈、二次螺旋線圈均為大小均勻逐增的矩形、圓形、1/4圓形和三角形中的任一種，且層與層之間相應的二次螺旋線圈共軸。
6.根據權利要求4所述的PCB型空心線圈電流傳感器，其特徵在於所述一次線圈圍繞每個二次螺旋線圈直接印製於PCB上。
7.根據權利要求4所述的PCB型空心線圈電流傳感器，其特徵在於PCB所有層上相應的一次螺旋線圈和二次螺旋線圈共軸。
全文摘要
本發明公開一種PCB型空心線圈電流傳感器，設有一層或多層PCB電路板，每層PCB板上設有4以上的偶數個相同的平面螺旋線圈，每塊PCB板上的螺旋線圈對稱分布，每層相鄰的螺旋線圈依次串接，層與層之間的螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為輸出端，構成二次線圈；一次線圈緊繞每層半數彼此不相鄰的螺旋線圈構成一匝或多匝環路。本發明能避免外界電磁的幹擾，同時二次線圈能靈敏地響應一次線圈中的電流，產生與被測電流變化率成正比的電壓信號，有很好的線性度、檢測精度和強的抗電磁幹擾能力，適合電子式電能表和微機保護、測量裝置中用作電流傳感器。
文檔編號H01F38/28GK1967267SQ20061003248
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月29日 優先權日2006年10月29日
發明者周有慶, 龔偉, 吳桂清, 彭紅海 申請人:長沙同慶電氣信息有限公司