點陣式霍爾電流傳感器的製作方法
2023-10-24 01:53:32 2
專利名稱：點陣式霍爾電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用霍爾效應原理的點陣式霍爾電流互感器，用於測 量交力t電5危或者直伊b電;危。
背景技術：
霍爾電流傳感器是一種常用的電流測量裝置，它採用霍爾元件作為傳
感單元，通過^c測電流產生的》茲場的大小來實現對電流的測量。霍爾元件
又被稱作霍爾片，因為它是一種半導體薄片。作為一種技術成熟且應用廣
泛的》茲場;險測元件，霍爾元件是根據載流半導體在磁場中產生的霍爾電勢 為基礎的。開環型霍爾電流傳感器以鐵磁材料作為導磁體，而將霍爾元件 放置在導磁體的氣隙中，很明顯，鐵磁部分磁阻遠遠小於氣隙的磁阻，在 一定範圍內，氣隙中的磁感應強度與被測電流保持穩定的線性關係，測量 氣隙內的磁感應強度，結合氣隙鐵芯的傳感係數即可獲得被測電流的大小。 採用鐵磁材料的主要作用有二 1、 鐵磁材料可有效屏蔽外界磁場，消除 外界電流或^f茲場對開環型電流傳感器的影響，從而橫_得傳感器的總霍爾電 勢對外界磁場或電流的感應為零。2、起到聚磁的作用，增強被測電流產生 的磁感應強度。開環型霍爾電流傳感器往往精度不高， 一般可達10-2級，被 測電流與互感器額定電流相比較小時，測量誤差會急劇增加，其主要原因 是由於鐵磁材料存在磁滯和損耗，當被測電流在較大範圍內變化時，氣 隙中的磁感應強度與電流之間的線性關係會發生一定變化，特別是較小電 流時，這種偏差尤為明顯。
閉環型霍爾電流傳感器沿用了比較儀的零i茲通原理，在開環型霍爾電 流傳感器的基礎上進行了 一系列改進，首先是在帶氣隙的鐵^f茲材料上均勻 布置一個平衡繞組，其次霍爾元件不再用以直接檢測電流的大小，而作為 一個剩餘磁通檢測單元，霍爾元件的輸出霍爾電勢控制驅動一定大小的電 流通過平衡繞組。穩態下，平衡繞組與被測電流保持良好的線性關係，比 例係數為平衡繞組的繞線匝數與被測電流繞線匝數的比值，通過檢測平衡 繞組中的電流大小即可得到被測電流的大小。閉環型電流傳感器穩定可靠， 準確度可高達10-3級甚至更高，但是，平衡電路的驅動能力有限，製作大電 流閉環霍爾電流傳感器是比較困難且十分昂貴的。
開環型霍爾電流傳感器由於氣隙鐵芯的非線性，準確度不高，動態範 圍小，響應速度慢；閉環型霍爾電流傳感器準確度有所提高，但是獲得較大的補償電流比較困難且十分不經濟，不太適合於大電流測量。
發明內容
本發明提供一種新型的點陣式霍爾電流傳感器，它完全克服了傳統的 霍爾電流傳感器的缺陷，傳統的霍爾電流傳感器的主要缺點都與鐵芯有關， 這種新型的點陣式霍爾電流傳感器從根本上排除鐵芯的存在，從而克服了 鐵^茲材料給霍爾電流傳感器帶來的諸如線性度變差、動態範圍小、體積重 量增加、成本過高等方面的缺陷。
點陣式霍爾電流傳感器，包括一個由N個霍爾元件組成的陣列、印刷 電路板、增益調整電路和輸出累加電路，其特徵在於採用一次載流導線為 長直導線的磁場分布模型，將N個霍爾元件按路徑均勻對稱分布在印刷電 路板上，且每個霍爾元件所在平面穿過路徑的中心軸，增益調整電路及輸 出累加電路也分布於印刷電路板上，增益調整電路由N個放大電路組成， 放大電路由N個運算放大器，若干個電阻組成，每個運算放大器分別與電 阻連接成與霍爾元件一一對應的放大電路，且放大電路採用現有的放大電 路，每個放大電路與霍爾元件——對應的連接，然後再通過l個運算放大 器和若干個電阻構成的輸出累加電路將各放大電路的輸出直接相累加後作
為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，N為大於零的自然數。
若點陣式霍爾電流傳感器使用在鄰相電流比較近或者外界幹擾磁場比 較強烈和複雜的場合，將N個霍爾元件組成的陣列放於一個圓筒形的屏蔽 筒中，N為大於零的自然數。
N個霍爾元件均勻對稱的分布在一定大小閉合路徑的印刷電路板上， 且每個霍爾元件所在平面穿過閉合路徑的中心軸，N為大於零的自然數。
將N個霍爾元件均勻對稱的分布在一定大小圓周的印刷電路板上，且 每個霍爾元件所在平面穿過圓周的中心軸，N為大於零的自然數。
將N個霍爾元件分布在一個非閉合路徑的印刷電路板上，N為大於零 的自然數，根據全電流定律可知N個霍爾元件應該分布在一個閉合路徑的 印刷電路板中，實際上如果不是一個閉合路徑也能取得一定精度的測量結 果，可以應用在精度要求不是很高的場合下。
點陣式霍爾電流傳感器主要由霍爾元件陣列和增益調整電路及輸出累 加電路組成，點陣式霍爾電流傳感器沒有使用鐵磁材料，依據的是一次載 流導線為長直導線的磁場分布模型，當採用的霍爾元件數量足夠多，所有 霍爾元件均勻對稱的分布在一定大小的圓周上，且單個霍爾元件所在平面 穿過該圓周的中心軸時，才艮據安培定律，構造的點陣式霍爾電流傳感器的 測量結果與載流導線的形狀和位置無關，且在該點陣式霍爾電流傳感器外部的任何電流或》茲場在該傳感器上的響應為零。因此，本發明從技術效果 來說，具有和含有鐵芯的霍爾電流傳感器同樣的抗外界》茲場幹擾的效果， 同時還具有線性度好，動態範圍寬，體積小，重量輕等含有鐵芯的霍爾電 流傳感器不具備的優點。
本發明的點陣式霍爾電流傳感器基本原理如下
理想的點陣式霍爾電流傳感器需要滿足的四條基本假設是使用的霍 爾元件數量足夠多；霍爾元件在一定大小的圓周上對稱均勻分布；霍爾元 件的》茲^i:感特性一致；霍爾元件構成的圓周的中心軸在所有的霍爾元件的 磁敏感薄膜所在平面上。
以採用十六個霍爾元件均勻對稱的呈圓形分布在載流導線的周圍為 例，如圖1所示，即為點陣式霍爾電流傳感器的基本模型。第i個霍爾元 件所在點的磁感應強度記作5,.，由霍爾效應，可得
S =《賊
由假設條件可以得到所有霍爾元件的霍爾電勢相等，總的霍爾電勢之 和為
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點陣式霍爾電流傳感器的總霍爾電勢與被測電流之間的比例係數為
r, r與真空中的磁導率;v霍爾元件個數N、單個霍爾元件的傳感係數 K、霍爾元件至載流導線中心軸的距離r等因素有關，通過已知的參數可以 容易的求解傳感器的傳感係數f，點陣式霍爾電流傳感器通過測量總霍爾 電勢即可得到被測電流的準確值。
測得每個霍爾元件的霍爾係數《，通過修正係數將其修正為統一的霍 爾係數K。圖3是採用的增益調整電路和輸出累加電路模型，當滿足下式 時，將處理後的信號通過運算放大器構成的輸出累加電路將各放大電路的 輸出直接相累加後作為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，即可得到歸一化 後的總霍爾電勢，該調整電路有效的消除了單個霍爾元件的霍爾係數之間 的差異。
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本發明所述點陣式霍爾電流傳感器
1、該新型的點陣式霍爾電流傳感器徹底排除了4失》茲材料，當採用的霍爾元件數量足夠多，所有霍爾元件均勻對稱的分布在一定大小的圓周上， 且單個霍爾元件所在平面穿過該圓周的中心軸時，才艮據安培定律，構造的
點陣式霍爾電流傳感器的測量結果與載流導線的形狀和位置無關，且在該 點陣式霍爾電流傳感器外部的任何電流或;茲場在該傳感器上的響應為零， 即該電流傳感器模型具有很強的抗外界幹擾的能力。
2 、該新型點陣式霍爾電流傳感器採用印刷電路板技術解決多個霍爾元 件均勻對稱分布的問題，即能保證霍爾元件構成的圓周的中心軸在所有的 霍爾元件的;茲l丈感薄膜所在平面上。
3、 該新型點陣式霍爾電流傳感器採用增益調整電路解決多個霍爾元件 的霍爾係數不同的問題，保證了霍爾元件的^茲敏感特性一致。通過1個運 算放大器構成的輸出累加電路將增益調整後的各放大電路的輸出直接相累 加後作為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，即可得到歸一化後的總霍爾電 勢。
4、 該新型點陣式霍爾電流傳感器採用了基於印刷電路板的元件布置方 法和增益調整電路的補償措施，基於PCB的霍爾元件布置技術和增益調整 技術是點陣式霍爾電流傳感模型實現的兩個最主要的關鍵技術。
5、 根據全電流定律可知N個霍爾元件應該分布在一個閉合路徑的印刷 電路板中，實際上如果不是一個閉合路徑也能取得一定精度的測量結果， 可以應用在精度要求不是很高的場合下。
本發明的點陣式霍爾電流傳感器沒有使用鐵磁材料，依據的是一次載 流導線為長直導線的磁場分布模型，當採用的霍爾元件數量足夠多，採用 PCB板將所有霍爾元件均勻對稱的分布在閉合路徑上，且單個霍爾元件所 在平面穿過閉合路徑的中心軸時，根據安培定律，構造的點陣式霍爾電流 傳感器的測量結果與載流導線的形狀和位置無關，且在該點陣式霍爾電流 傳感器外部的任何電流或》茲場在該傳感器上的響應為零。而採用增益調整 電路解決多個霍爾元件的霍爾係數不同的問題，解決了霍爾元件的磁敏感 特性一致性的問題。這樣就滿足了理想點陣式霍爾電流傳感器的四個條件。
圖l是本發明的原理圖。
圖2是本發明的結構示意圖。
圖3是本發明的增益調整電路和輸出累加電路原理圖。
具體實施方式
本發明摒棄了傳統的鐵心結構，依據一次載流導線為長直導線的磁場 分布;^莫型，構造了理想的點陣式霍爾電流傳感器。該理想的點陣式霍爾電流傳感器需要滿足的四條基本假設是使用的霍爾元件數量足夠多；霍爾 元件在閉合路徑上對稱均勻分布；霍爾元件的i茲敏感特性一致；霍爾元件 構成的閉合路徑的中心軸在所有的霍爾元件的;茲敏感薄膜所在平面上。
本發明依據一次載流導線為長直導線的^t場分布衝莫型，當霍爾元件數 量足夠多，採用PCB板將所有霍爾元件均勻對稱的分布在一定大小的圓周 上，且單個霍爾元件所在平面穿過該圓周的中心軸時，根據安培定律，構 造的點陣式霍爾電流傳感器的測量結果與載流導線的形狀和位置無關，且 在該點陣式霍爾電流傳感器外部的H阿電流或^磁場在該傳感器上的響應為 零。而採用增益調整電路解決多個霍爾元件的霍爾係數不同的問題，解決 了霍爾元件的磁敏感特性一致性的問題。因此本發明採取的技術手段滿足 了理想點陣式霍爾電流傳感器的四個條件。
以額定電流3kA的十六點霍爾元件電流傳感器為例，具體步驟為
1、 確定霍爾元件分布圓周的尺寸。點陣式霍爾電流傳感器的應用對象 是較大幅值、較低頻率電流的測量，選用的霍爾元件應該有較小的尺寸、 較大的動態範圍、良好的線性度、理想的溫度穩定性能、低廉的價格。
綜合考慮額定電流和選用的霍爾器件的特性，基本確定霍爾元件分布 圓周尺寸的公式如下
咖_ 2《
其中，i ^為圓周的最小半徑，^為額定電流，^_為霍爾元件線性 區域的最大磁感應強度。上式提供了確定圓周尺寸的大致準則，為了保證 點陣式霍爾電流傳感器測量的準確度，霍爾元件的圓周尺寸必須考慮一定 的餘量， 一般取實際半徑為2&,n，這樣即使載流導線的偏移引起個別霍爾 元件所處位置磁感應強度大於平均值，亦或鄰相電流等外界幹擾電流產生 的磁場增加了個別霍爾元件處的磁感應強度，都不至於因為個別霍爾元件 因為處在非線性區域而影響了整個傳感陣列的測量準確度。
值得注意的是，當點陣式霍爾電流傳感器使用在鄰相電流比較近或者 外界幹擾^f茲場比較強烈和複雜的場合時，將整個傳感陣列處於一個圓筒形 的屏蔽中是十分必要的。
2、 設計增益調整電路。增益調整電路的作用是測得每個霍爾元件的實
際霍爾係數，利用加權的方法採用增益電路對所有霍爾元件的霍爾電勢進 行歸一化處理。增益調整電路特徵在於確定每個霍爾元件對應霍爾電勢的 力口4又系悽t。
3、 確定參數，消除零點電勢。標準磁場由一個帶一定繞組的開口鐵芯產生，鐵芯的開口為2mm,霍爾元件恰能放入且位置固定，繞組上通以幅 值1A工作頻率50Hz的電流。之所以選用工作頻率50Hz的交流電流產生的 磁場，是為了排除霍爾元件零點電勢的影響，作為半導體器件，當霍爾元 件在一定電壓或電流激勵下，所處的磁感應強度為零時，輸出霍爾電勢往 往並不為零，這個基本穩定幅值約數mV的信號被稱為零點電勢，消除零點 電勢是準確測量霍爾係數的基本保障。逐個將霍爾元件放置在鐵芯的氣隙 中，霍爾元件上的激勵電壓保持不變，測量每個霍爾元件的霍爾電勢中5 OHz 的分量，記錄下絕對值，將這些絕對值進行比較即可得到增益調整電路的 相對加權係數，通過計算的係數來確定圖3中^ -/ 16的值，確定電阻值的 依據是在相同》茲感應強度的作用下，所有霍爾元件的輸出霍爾電勢經增 益調整後的大小相等。
4、運算放大器構成的輸出累加電路將上述各增益調整後的放大電路輸 出直接相累加後作為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出。
以上是以十六個霍爾元件構成的圓周點陣式霍爾電流傳感器為例說明 的，如果霍爾元件不是構成一個圓周而是構成一個長為a，寬為b的矩形， 且。26，則具體實施方式
除了第一步確定尺寸和圓型不同，設計增益調整電 路、確定參數和運算放大器構成的輸出累加電路都與圓型相同。具體實施 方式》p下
其中，z:為額定電流，3_為霍爾元件線性區域的最大磁感應強度， i ^為最大磁感應強度的圓周的最小半徑，為了保證每個霍爾元件都能處於 線性區域而又獲得最大磁感應強度，考慮到餘量，可取b:4i ^。
本發明的結構主要由兩部分組成霍爾元件陣列1、增益調整電路和 輸出累加電路2。以十六個霍爾元件的點陣式霍爾電流傳感器為例，主要 由十六個霍爾元件、 一塊印刷電路板3、 17個運算放大器，81個電阻組成， 一次載流導線4從霍爾元件陣列1中心穿過，印刷電路板3為霍爾元件實 行了精確的定位，同時為霍爾元件、運算放大器和電阻提供了牢固可靠的 支撐，印刷電路板上裝有一個穩壓管為霍爾元件提供穩定的直流電壓激勵， 由運算放大器構成的增益調整電路實現了增益調整和校準的雙重功效。該 霍爾電流傳感器需要外界提供直流電源以使得霍爾元件和增益調整電路正 常工作。
若點陣式霍爾電流傳感器使用在鄰相電流比較近或者外界幹擾磁場比 較強烈和複雜的場合，將整個霍爾元件陣列放於一個圓筒形的屏蔽筒5中。
權利要求1、點陣式霍爾電流傳感器，包括一個由N個霍爾元件組成的陣列、印刷電路板、增益調整電路和輸出累加電路，其特徵在於採用一次載流導線為長直導線的磁場分布模型，將N個霍爾元件按路徑均勻對稱分布在印刷電路板上，且每個霍爾元件磁敏感薄膜所在平面穿過路徑的中心軸，增益調整電路和輸出累加電路也分布印刷電路板上，增益調整電路由N個放大電路組成，N個放大電路由N個運算放大器，若干個電阻組成，每個運算放大器分別與電阻連接成與霍爾元件一一對應的放大電路，每個放大電路與霍爾元件一一對應的連接，再採用1個運算放大器和若干個電阻構成的輸出累加電路將各放大電路的輸出直接相累加後作為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，N為大於零的自然數。
2、 根據權利要求l所述點陣式霍爾電流傳感器，其特徵在於將N個 霍爾元件組成的陣列放於一個圓筒形的屏蔽筒中，N為大於零的自然數。
3、 根據權利要求1或2所述點陣式霍爾電流傳感器，其特徵在於N 個霍爾元件均勻對稱的分布在一定大小閉合路徑的印刷電路板上，且每個 霍爾元件所在平面穿過閉合路徑的中心軸，N為大於零的自然數。
4、 根據權利要求3所述點陣式霍爾電流傳感器，其特徵在於將N個 霍爾元件均勻對稱的分布在一定大小圓周的印刷電路板上，且每個霍爾元 件所在平面穿過圓周的中心軸，N為大於零的自然數。
5、 根據權利要求1或2所述點陣式霍爾電流傳感器，其特徵在於將 N個霍爾元件分布在一個非閉合路徑的印刷電路板上，N為大於零的自然 數。
專利摘要本實用新型涉及點陣式霍爾電流傳感器，包括一個由N個霍爾元件組成的陣列、印刷電路板、增益調整電路和輸出累加電路，採用一次載流導線為長直導線的磁場分布模型，將N個霍爾元件按路徑均勻對稱分布在印刷電路板上，且每個霍爾元件所在平面穿過路徑的中心軸，增益調整電路也分布印刷電路板上確定每個霍爾元件對應霍爾電勢的加權係數，並且將處理後的信號經輸出累加電路直接相加，得到歸一化後的總霍爾電勢，N為大於零的自然數。本實用新型克服了鐵磁材料給霍爾電流傳感器帶來的諸如線性度變差、動態範圍小、體積重量增加、成本過高等方面的缺陷。
文檔編號G01R33/07GK201152886SQ20082006543
公開日2008年11月19日 申請日期2008年1月24日 優先權日2008年1月24日
發明者竇峭奇 申請人:武漢格藍若光電互感器有限公司