本發(fā)明涉及一種通過測量電流感生的磁場來無接觸測量導(dǎo)體中流通的電流的裝置。更具體地，本發(fā)明涉及一種適用于測量直流電流的集成了基于超順磁性材料的換能器的磁場傳感器。

背景技術(shù)：

1、為了測量電流i，可以采用不同的物理原理來產(chǎn)生代表該電流i的物理量。例如，磁傳感器實現(xiàn)了對磁學(xué)量(諸如由待測量的電流感生的磁場)敏感的換能器。

2、尤其是，例如在文獻fr2891917中已知有實現(xiàn)所謂的奈耳效應(yīng)技術(shù)的電流傳感器。該技術(shù)的特征是基于采用由線圈組成的傳感器，這些線圈的磁芯是基于具有超順磁特性的納米顆粒荷電復(fù)合材料。所使用的超順磁性材料具有無磁滯的特性，因此這種換能器的優(yōu)點在于沒有磁偏移。

3、以簡化的方式，具有超順磁芯的線圈(或spm線圈)充當混頻器。當一個已知頻率激勵電流fexc流過spm磁芯時，在沒有待測量的外部磁場hext的情況下，在該線圈的端子處感生的電動勢(electromotive?force，emf)將不具有偶次諧波。相反，待測量的外部磁場hext的出現(xiàn)將會基于待測量的磁場的信息引起偶次諧波的出現(xiàn)。實際上，通過振幅和偶次諧波相位(尤其是二次諧波的相位)，可以分別訪問一次場的振幅和極性。反饋電路可以耦接到系統(tǒng)，以減少由于系統(tǒng)引起的失真而導(dǎo)致的潛在干擾信息，并傳遞例如與待測量的電流成正比的更有用的測量量。

4、例如，在文獻fr2980581中簡要地描述了這種電流傳感器，但是所提出的配置假設(shè)采用了特定的信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生理想的波激勵信號(即，偶次諧波的振幅為零的信號)。然而，通過pwm(pulse?width?modulation，脈寬調(diào)制)型發(fā)生器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogue-to-digital?converter，adc)產(chǎn)生的信號必然包含諧波(尤其是二次諧波)，該諧波的水平可以很高，并且該諧波位于spm線圈提供的信號中，從而需要實施復(fù)雜的處理來提取有用的信號。

5、文獻fr3038063提出了一種傳感器，該傳感器集成了由四個spm線圈形成的換能器，該換能器耦接到兩個激勵發(fā)生器(即，電流ihf的高頻發(fā)生器fhf和電流ibf的低頻發(fā)生器fbf)。尤其是，該傳感器配置為使得激勵電流流過線圈，從而可以在變壓器的輸出端獲得僅包含有用頻率fhf-fbf、fhf+fbf的信號。這樣，即使在信號ihf、ibf中存在諧波殘留，輸出端(尤其是用于檢測的變壓器的輸出端)的有用信號也不會受到激勵信號質(zhì)量的影響。然而，該配置涉及選擇比頻率fhf低得多的頻率fbf，使得有用輸出信號中存在的兩個頻率相對接近且僅遠離2.fbf。這種低頻間隔導(dǎo)致必須采用相對較低的截止頻率解調(diào)濾波器(尤其低于2.fbf)，這導(dǎo)致系統(tǒng)較長的響應(yīng)時間和有限的帶寬。此外，spm線圈不可避免的不平衡也會導(dǎo)致在接近兩個有用頻率fhf-fbf、fhf+fbf的頻率fhf下出現(xiàn)分量。為了獲得良好的信噪比，有用頻率的放大率必須較高，因此該分量fhf的存在會產(chǎn)生障礙且由于其與有用頻率接近而難以過濾掉?？梢栽黾舆x擇性帶阻濾波器來限制該問題，但是除了這種選擇性濾波器的生產(chǎn)較復(fù)雜且精密之外，其集成還增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時間。此外，采用兩個激勵發(fā)生器來注入兩個頻率會導(dǎo)致該解決方案的成本很高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的旨在提出一種備選的直流電流或直流磁場傳感器，其將線圈與超順磁芯集成在一起。尤其是，本發(fā)明旨在提出一種可以提高系統(tǒng)信噪比的配置，該構(gòu)造既不需要采用非常昂貴的元件，也不需要實現(xiàn)龐大的電路，而且生產(chǎn)也不復(fù)雜。

2、因此，本發(fā)明旨在提供一種用于測量直流電流的磁場傳感器，該磁場傳感器由至少一個超順磁性(superparamagnetic，spm)材料換能器形成，該換能器用來經(jīng)受待測量的外部磁場且電性耦接到激勵模塊和分析模塊。

3、根據(jù)本發(fā)明，換能器包括至少一對具有超順磁(spm)芯的線圈，這些spm線圈基本上相同且串聯(lián)在換能器的兩個末端端子之間，spm線圈的公共連接點連接到參考電位。

4、此外，激勵模塊配置為以預(yù)定激勵頻率fe產(chǎn)生并注入激勵電流ie到換能器中，并且激勵模塊至少包括：

5、.中點線圈，其安裝為平行于換能器的端子；

6、.激勵電壓發(fā)生器，其安裝在參考電位與所述中點之間，該電壓發(fā)生器優(yōu)選地具有可調(diào)或可調(diào)諧頻率；以及

7、.激勵阻抗，其配置為與spm線圈一起形成第一串聯(lián)rlc型電路，該第一串聯(lián)rlc型電路的諧振頻率fres_e基本上等于激勵頻率fe。

8、此外，分析模塊至少包括：

9、.分析阻抗，其連接到中點線圈的外部端子，激勵阻抗配置為與spm線圈一起形成第二串聯(lián)rlc型電路，該第二串聯(lián)rlc型電路的分析諧振頻率fres_a基本上等于分析頻率fa；以及

10、.裝置，其用于分析在分析頻率fa下流過分析阻抗的電流來提取等于激勵頻率fe的偶數(shù)倍的所述分析頻率fa下的分量。

11、有利的是，分析頻率fa等于2.fe。

12、根據(jù)一個實施例，激勵阻抗連接在激勵發(fā)生器與中點線圈的中點之間。

13、根據(jù)另一個實施例，激勵阻抗連接在參考電位與spm線圈的公共連接點之間。

14、根據(jù)一種變型，激勵阻抗包括至少一個激勵電容器。

15、根據(jù)另一種變型，激勵阻抗包括至少一個激勵電容器和至少一個激勵電感器，該激勵電感器連接在激勵電容器與激勵電壓發(fā)生器之間。

16、在實踐中，中點線圈可以由纏繞在同一磁芯上的兩個基本相同的繞組組成。

17、有利的是，分析阻抗可以由分析電容器和分析電阻器構(gòu)成，該分析電容器和該分析電阻器串聯(lián)安裝在中點線圈的兩個外部端子之間。

18、分析阻抗還可以包括分析電感器，該分析電感器與分析電容器和分析電阻器串聯(lián)安裝在中點線圈的外部端子之間。

19、根據(jù)另一個實施例，該磁場傳感器還可以包括變壓器，該變壓器安裝在中點線圈與分析阻抗之間，所述變壓器由初級繞組和次級繞組構(gòu)成，該初級繞組連接到中點線圈的外部端子，并且該次級繞組連接到分析阻抗的端子。

20、根據(jù)另一個實施例，該磁場傳感器還可以包括變壓器，該變壓器包括初級繞組和次級繞組，該初級繞組由中點線圈形成，并且該次級繞組連接到分析阻抗的端子。

21、根據(jù)另一個實施例，換能器的spm線圈形成第一對spm線圈，并且，該傳感器還可以包括第二對spm線圈，該第二對spm線圈與所述第一對spm線圈基本相同。在該另一個實施例中，第二對spm線圈串聯(lián)安裝，第一對spm線圈的末端端子連接到第二對線圈中的一個線圈，并且第一對spm線圈的末端端子連接到第二對線圈中的另一個線圈。

22、有利的是，該傳感器還可以包括反饋模塊，該反饋模塊由至少一個反饋電壓發(fā)生器形成，該反饋電壓發(fā)生器配置為產(chǎn)生反饋電流。在具有兩個spm線圈的傳感器的情況下，反饋電壓發(fā)生器優(yōu)選地安裝到換能器的末端端子，并且在具有四個spm線圈的傳感器的情況下，反饋電壓發(fā)生器優(yōu)選地安裝在第二對spm線圈之間且配置為產(chǎn)生反饋電流。

23、根據(jù)一種變型，反饋電壓發(fā)生器可以由以參考電位為基準的兩個電壓源形成。

24、根據(jù)另一個實施例，該磁場傳感器還可以包括校準模塊，該校準模塊配置為尋找待注入到換能器中的激勵頻率fe的最佳值fopt。

25、在一種變型中，校準模塊可以配置為：

26、-在頻率范圍[fe_min；fe_max]內(nèi)改變激勵發(fā)生器的激勵頻率fe，并測量相應(yīng)的激勵電流ie；以及

27、-識別對應(yīng)于激勵電流水平ie為最大的激勵頻率fe的最佳激勵頻率fopt_e。

28、例如，校準模塊可以配置為測量安裝在參考電位與換能器的spm線圈的公共連接點之間的電阻器的端子處的激勵電流。

29、當激勵阻抗安裝在參考電位與換能器的兩個spm線圈的公共連接點之間時，校準模塊還可以配置為測量激勵電容器的端子處的激勵電流。

30、在另一種變型中，校準模塊可以配置為：

31、-在頻率范圍[fe_min；fe_max]內(nèi)改變激勵發(fā)生器的激勵頻率fe，并測量激勵模塊的靈敏度s；以及

32、-識別對應(yīng)于所述靈敏度s為最大的激勵頻率fe的最佳激勵頻率fopt_e。