專利名稱：點陣式霍爾電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用霍爾效應原理的點陣式霍爾電流互感器，用于測量交力i電^?；蛘咧辨ｋ娏 。
背景技術(shù)：
霍爾電流傳感器是一種常用的電流測量裝置，它采用霍爾元件作為傳 感單元，通過被測電流產(chǎn)生的》茲場的大小來實現(xiàn)對電流的測量?；魻栐直环Q作霍爾片，因為它是一種半導體薄片。作為一種:f支術(shù)成熟且應用廣 泛的磁場檢測元件，霍爾元件是根據(jù)栽流半導體在磁場中產(chǎn)生的霍爾電勢 為基礎(chǔ)的。開環(huán)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于氣隙的磁阻，在 一定范圍內(nèi)，氣隙中的磁感應強度與被測電流保持穩(wěn)定的線性關(guān)系，測量 氣隙內(nèi)的磁感應強度，結(jié)合氣隙鐵芯的傳感系數(shù)即可獲得被測電流的大小。采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，消除外界電流或磁場對開環(huán)型電流傳感器的影響，從而使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(chǎn)生 的磁感應強度。開環(huán)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 是由于鐵磁材料存在磁滯和損耗，當被測電流在較大范圍內(nèi)變化時，氣 隙中的磁感應強度與電流之間的線性關(guān)系會發(fā)生一定變化，特別是較小電 流時，這種偏差尤為明顯。閉環(huán)型霍爾電流傳感器沿用了比較儀的零磁通原理，在開環(huán)型霍爾電 流傳感器的基礎(chǔ)上進行了一系列改進，首先是在帶氣隙的鐵》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 一個剩余磁通檢測單元，霍爾元件的輸出霍爾電勢控制驅(qū)動一定大小的電 流通過平衡繞組。穩(wěn)態(tài)下，平衡繞組與被測電流保持良好的線性關(guān)系，比 例系數(shù)為平衡繞組的繞線匝數(shù)與被測電流繞線匝數(shù)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(huán)型電流傳感器穩(wěn)定可靠， 準確度可高達10-3級甚至更高，但是，平衡電路的驅(qū)動能力有限，制作大電 流閉環(huán)霍爾電流傳感器是比較困難且十分昂貴的。開環(huán)型霍爾電流傳感器由于氣隙4失芯的非線性，準確度不高，動態(tài)范 圍小，響應速度慢；閉環(huán)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(jīng)濟，不太適合于大電流測量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)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(tǒng)的 霍爾電流傳感器的缺陷，傳統(tǒng)的霍爾電流傳感器的主要缺點都與鐵芯有關(guān)， 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 鐵磁材料給霍爾電流傳感器帶來的諸如線性度變差、動態(tài)范圍小、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(diào)整電路和輸出累加電路，其特征在于采用一次載流導線為 長直導線的磁場分布模型，將N個霍爾元件按路徑均勻?qū)ΨQ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(diào)整電路及輸 出累加電路也分布于印刷電路板上，增益調(diào)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——對應的放大電路，且放大電路采用現(xiàn)有的放大電 路，每個放大電路與霍爾元件——對應的連接，然后再通過l個運算放大 器和若干個電阻構(gòu)成的輸出累加電路將各放大電路的輸出直接相累加后作 為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，N為大于零的自然數(shù)。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干私磁場比 較強烈和復雜的場合，將N個霍爾元件組成的陣列放于一個圓筒形的屏蔽 筒中，N為大于零的自然數(shù)。N個霍爾元件均勻?qū)ΨQ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為大于零的自然數(shù)。將N個霍爾元件均勻?qū)ΨQ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為大于零的自然數(shù)。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為大于零 的自然數(shù)，根據(jù)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(jié) 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(diào)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(jù)的是一次載 流導線為長直導線的磁場分布模型，當采用的霍爾元件數(shù)量足夠多，所有 霍爾元件均勻?qū)ΨQ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(jù)安培定律，構(gòu)造的點陣式霍爾電流傳感器的 測量結(jié)果與載流導線的形狀和位置無關(guān)，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(fā)明AM支術(shù)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磁場干擾的效果， 同時還具有線性度好，動態(tài)范圍寬，體積小，重量輕等含有鐵芯的霍爾電 流傳感器不具備的優(yōu)點。本發(fā)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(shè)是使用的霍 爾元件數(shù)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 件的磁敏感特性一致；霍爾元件構(gòu)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。以采用十六個霍爾元件均勻?qū)ΨQ的呈圓形分布在載流導線的周圍為例，如圖l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 件所在點的石茲感應強度記作A,由霍爾效應，可得<formula>formula see original document page 5</formula>由假設(shè)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<formula>formula see original document page 5</formula>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系數(shù)為K'， K'與真空中的磁導率/v霍爾元件個數(shù)N、單個霍爾元件的傳感系數(shù) K、霍爾元件至載流導線中心軸的距離r等因素有關(guān)，通過已知的參數(shù)可以 容易的求解傳感器的傳感系數(shù)K'，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系數(shù)& ，通過修正系數(shù)將其修正為統(tǒng)一的霍 爾系數(shù)K。圖3是采用的增益調(diào)整電路和輸出累加電路模型，當滿足下式 時，將處理后的信號通過運算放大器構(gòu)成的輸出累加電路將各放大電路的 輸出直接相累加后作為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，即可得到歸一化 后的總霍爾電勢，該調(diào)整電路有效的消除了單個霍爾元件的霍爾系數(shù)之間 的差異。<formula>formula see original document page 5</formula>本發(fā)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鐵i茲材料，當采用的霍爾元件數(shù)量足夠多，所有霍爾元件均勻?qū)ΨQ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(jù)安培定律，構(gòu)造的 點陣式霍爾電流傳感器的測量結(jié)果與栽流導線的形狀和位置無關(guān)，且在該 點陣式霍爾電流傳感器外部的任何電流或磁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干擾的能力。2、 該新型點陣式霍爾電流傳感器釆用印刷電路板技術(shù)解決多個霍爾元 件均勻?qū)ΨQ分布的問題，即能保證霍爾元件構(gòu)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。3、 該新型點陣式霍爾電流傳感器釆用增益調(diào)整電路解決多個霍爾元件 的霍爾系數(shù)不同的問題，保證了霍爾元件的磁敏感特性一致。通過l個運 算放大器構(gòu)成的輸出累加電路將增益調(diào)整后的各放大電路的輸出直接相累 加后作為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，即可得到歸一化后的總霍爾電 勢。4、 該新型點陣式霍爾電流傳感器采用了基于印刷電路板的元件布置方 法和增益調(diào)整電路的補償措施，基于PCB的霍爾元件布置技術(shù)和增益調(diào)整 技術(shù)是點陣式霍爾電流傳感模型實現(xiàn)的兩個最主要的關(guān)鍵技術(shù)。5、 根據(jù)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(jié)果， 可以應用在精度要求不是很高的場合下。本發(fā)明的點陣式霍爾電流傳感器沒有使用鐵一磁材料，依據(jù)的是一次載 流導線為長直導線的》茲場分布模型，當采用的霍爾元件數(shù)量足夠多，采用 PCB板將所有霍爾元件均勻?qū)ΨQ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(jù)安培定律，構(gòu)造的點陣式霍爾電流 傳感器的測量結(jié)果與載流導線的形狀和位置無關(guān)，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。而采用增益調(diào)整 電路解決多個霍爾元件的霍爾系數(shù)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(fā)明的原理圖。圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的增益調(diào)整電路和輸出累加電路原理圖。
具體實施方式
本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)的鐵心結(jié)構(gòu)，依據(jù)一次栽流導線為長直導線的磁場 分布模型，構(gòu)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(shè)是使用的霍爾元件數(shù)量足夠多；霍爾 元件在閉合路徑上對稱均勻分布；霍爾元件的磁敏感特性一致；霍爾元件構(gòu)成的閉合路徑的中心軸在所有的霍爾元件的磁敏感薄膜所在平面上。 本發(fā)明依據(jù)一次載流導線為長直導線的磁場分布模型，當霍爾元件數(shù)量足夠多，采用PCB板將所有霍爾元件均勻?qū)ΨQ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(jù)安培定律，構(gòu) 造的點陣式霍爾電流傳感器的測量結(jié)果與載流導線的形狀和位置無關(guān)，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。而采用增益調(diào)整電路解決多個霍爾元件的霍爾系數(shù)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(fā)明采取的技術(shù)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(tài)范圍、良好的線性度、理想的溫度穩(wěn)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、2《其中，i ^為圓周的最小半徑，,:為額定電流，5皿為霍爾元件線性 區(qū)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 的余量， 一般取實際半徑為2i^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于平均值，亦或鄰相電流等外界干擾電流產(chǎn)生 的磁場增加了個別霍爾元件處的磁感應強度，都不至于因為個別霍爾元件 因為處在非線性區(qū)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 外界干擾^f茲場比較強烈和復雜的場合時，將整個傳感陣列處于一個圓筒形的屏蔽中是十分必要的。2、 設(shè)計增益調(diào)整電路。增益調(diào)整電路的作用是測得每個霍爾元件的實 際霍爾系數(shù)，利用加權(quán)的方法釆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(diào)整電路特征在于確定每個霍爾元件對應霍爾電勢的 加權(quán)系數(shù)。3、 確定參數(shù)，消除零點電勢。標準磁場由一個帶一定繞組的開口鐵芯產(chǎn)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(chǎn)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 往并不為零，這個基本穩(wěn)定幅值約數(shù)mV的信號被稱為零點電勢，消除零點 電勢是準確測量霍爾系數(shù)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50Hz 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(diào)整電路的 相對加權(quán)系數(shù)，通過計算的系數(shù)來確定圖3中/ ,-《6的值，確定電阻值的 依據(jù)是在相同磁感應強度的作用下，所有霍爾元件的輸出霍爾電勢經(jīng)增 益調(diào)整后的大小相等。4、運算放大器構(gòu)成的輸出累加電路將上述各增益調(diào)整后的放大電路輸 出直接相累加后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(gòu)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(gòu)成一個圓周而是構(gòu)成一個長為a，寬為b的矩形， 且?！?，則具體實施方式
除了第一步確定尺寸和圓型不同，設(shè)計增益調(diào)整電 路、確定參數(shù)和運算放大器構(gòu)成的輸出累加電路都與圓型相同。具體實施 方式如下其中，！:為額定電流，5_為霍爾元件線性區(qū)域的最大磁感應強度， i min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于 線性區(qū)域而又獲得最大磁感應強度，考慮到余量，可取b-4i ^。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成霍爾元件陣列1、增益調(diào)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(wěn)壓管為霍爾元件提供穩(wěn)定的直流電壓激勵， 由運算放大器構(gòu)成的增益調(diào)整電路實現(xiàn)了增益調(diào)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(diào)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干M場比 較強烈和復雜的場合，將整個霍爾元件陣列放于一個圓筒形的屏蔽筒5中。
權(quán)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(diào)整電路和輸出累加電路，其特征在于采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?qū)ΨQ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(diào)整電路和輸出累加電路也分布印刷電路板上，增益調(diào)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，再采用1個運算放大器和若干個電阻構(gòu)成的輸出累加電路將各放大電路的輸出直接相累加后作為該點陣式霍爾電流傳感器的輸出，N為大于零的自然數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述點陣式霍爾電流傳感器，其特征在于將N個 霍爾元件組成的陣列放于一個圓筒形的屏蔽筒中，N為大于零的自然數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述點陣式霍爾電流傳感器，其特征在于N 個霍爾元件均勻?qū)ΨQ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為大于零的自然數(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述點陣式霍爾電流傳感器，其特征在于將N個 霍爾元件均勻?qū)ΨQ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為大于零的自然數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述點陣式霍爾電流傳感器，其特征在于將 N個霍爾元件分布在一個非閉合路徑的印刷電路板上，N為大于零的自然 數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明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(diào)整電路和輸出累加電路，采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?qū)ΨQ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(diào)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(quán)系數(shù)，并且將處理后的信號經(jīng)輸出累加電路直接相加，得到歸一化后的總霍爾電勢，N為大于零的自然數(shù)。本發(fā)明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(tài)范圍小、體積重量增加、成本過高等方面的缺陷。
文檔編號G01R19/00GK101271130SQ20081004676
公開日2008年9月24日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月24日
發(fā)明者竇峭奇 申請人:武漢格藍若光電互感器有限公司