CN110095643A

CN110095643A - 一种单磁芯四气隙开环霍尔电流传感器

Info

Publication number: CN110095643A
Application number: CN201910285621.1A
Authority: CN
Inventors: 谭超; 龚晓辉; 杨哲; 乐周美; 吴晨光; 李兴林
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2019-08-06

Abstract

一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，包括一个磁环，所述磁环开设有四个宽度相同的开口气隙作为传感器磁路，每一个开口气隙处放置一个霍尔芯片，四个霍尔芯片输出端接入加法器。四个霍尔芯片特性完全一致。本发明一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，该传感器能够在明显解决磁芯过饱和问题的同时，降低因导线位置而产生的误差。

Description

一种单磁芯四气隙开环霍尔电流传感器

技术领域

本发明涉及一种霍尔电流传感器，具体是一种单磁芯四气隙开环霍尔电流传感器。

背景技术

霍尔电流传感器因其良好精度、测交直流、不需要和原电路相接触，能实现mA～kA量程的在线监测等特点，广泛应用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。开环霍尔电流传感器因其结构简单、低成本、低功耗等特点，广泛的应用于工业级大电流测量(200A以上)。闭环霍尔电流传感器因为其闭环结构较开环霍尔电流传感器而言，在精度，温漂上有一定优势，但是当测量200A以上大电流时候，闭环霍尔电流传感器受制于电流传感器的体积、工艺复杂性、成本、功耗等，不利于工业级大电流的在线监测。

现有单气隙开环霍尔电流传感器原理为：当被测电流I_P通过磁芯时，产生一个磁场，磁芯用于聚磁，放大磁感应强度的幅度，同时降低外界磁场干扰。但是有一个明显限制，因为提供聚磁效应的磁芯是软磁材料，如铁氧体，当被测电流I_P过大时，易导致磁芯过饱和，从而影响传感器输出。

现有解决方式分为两类：一是增大传感器磁芯的几何尺寸；二是不用磁芯提供聚磁效应，用多个霍尔器件组成的列阵直接测量被测电流I_P周围产生的磁场。这两种方法都有一定缺陷：增大传感器磁芯的几何尺寸必然导致传感器体积过大，不符合目前发展趋势；霍尔列阵容易受到外界磁场的干扰，且被测导线必须置于列阵中心处，否则会造成很大测量误差。

发明内容

为了克服现有开环霍尔电流传感器测量大电流时，易导致磁芯过饱和的问题，本发明提供一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，该传感器能够在明显解决磁芯过饱和问题的同时，降低因导线位置而产生的误差。

本发明采取的技术方案为：

一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，包括一个正方形磁环，所述正方形磁环开设有四个宽度相同的开口气隙作为传感器磁路，每一个开口气隙处放置一个霍尔芯片，四个霍尔芯片输出端接入加法器。四个霍尔芯片特性完全一致。

所述加法器连接比例放大器，用于将四个霍尔芯片输出端的输出电压相加，得到输出电压之和，并通过比例放大器对输出电压之和和进行放大或缩小，得到与待测电流呈正比的电压输出。

本发明霍尔电流传感器原理为图1所示，当被测电流I_P通过传感器磁芯时，导线周围产生的磁场由磁芯的聚磁作用，使四个霍尔芯片N1、N2、N3、N4上方各产生一个磁感应强度为B的磁场，从而四个霍尔芯片各输出一个电压U，经过由第一运算放大器TS922组成的加法器，为达到目标增益，再接由第二运算放大器TS922构成的同相比例放大电路，所以输出电压U_O如下：

本发明霍尔电流传感器具体通过三个部分实现，其分别为：

用于提供聚磁效应的四气隙磁路；

用于将四个霍尔器件产生电压相加的加法器和同相比例放大器；

传感器结构本身设计。

所述四气隙磁路具体为：一个相同磁芯、开四个宽度一样的气隙、并且四个气隙关于磁芯中心处对称。

对于一根通电导线，其长度足够长，通过电流为I_P，其在距离中心r处产生的磁感应强度B可以用以下公式表示：

当通电导线穿过磁环时，磁环中的磁感应强度B_core可以用下式表示:

式中，μ₀为真空相对磁导率，其值为1；μ_r为磁环相对磁导率；D为圆环外径；d为圆环内径。

当磁芯开了两个气隙之后，且两个开口尺寸l_air相对磁芯尺寸极小，l_air＜＜πD，因此可以认为开口处的磁场是连续且均匀的，根据安培环路定律，可得下式：

式中B_core为磁环磁感应强度；B_air为开口处磁感应强度。由于开口处的磁场是连续且均匀的，则B_core＝B_air，代入上式，得开口处的磁感应强度：

4个霍尔芯片在磁芯气隙处产生电压分别为：

其中，U分别为霍尔器件在磁芯四个气隙处产生的电压。

所述加法器包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C5；电阻R1一端连接霍尔芯片N1输出脚，电阻R1另一端连接第一运算放大器同相输入端；电阻R2一端连接霍尔芯片N2输出脚，电阻R2另一端连接第一运算放大器同相输入端；电阻R4一端连接霍尔芯片N3输出脚，电阻R4另一端连接第一运算放大器同相输入端；电阻R6一端连接霍尔芯片N4输出脚，电阻R6另一端连接第一运算放大器同相输入端；电阻R3一端连接GND端，电阻R3另一端连接第一运算放大器反相输入端；电阻R5一端、电容C5一端均连接第一运算放大器反相输入端，电阻R5另一端、电容C5另一端均连接第一运算放大器输出端。由此可以得到：

U5＝(U1+U2+U3+U4)＝K_HI(B₁+B₂+B₃+B₄)

进一步地，为达到目标增益，所述比例放大器包括第二运算放大器、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C7；电阻R7一端连接GND端，电阻R7另一端连接第二运算放大器同相输入端；电阻R8一端连接第二运算放大器输出端，电阻R8另一端为传感器输出端口；电阻R9一端连接第一运算放大器输出端，电阻R9另一端连接第二运算放大器反相输入端；电阻R10一端、电容C7一端均连接第二运算放大器反相输入端，电阻R10另一端、电容C7另一端均连接第二运算放大器输出端。实现目标增益需要调节电阻R9和电阻R10的大小，具体表示为：

因为四个开口宽度相同，关于磁芯中心对称，当被测导线置于磁芯中心处时，各气隙处的磁感应强度大小相等，即：B₁＝B₂＝B₃＝B₄，传感器输出U_O可表示为：

对于这个四气隙磁芯，被测导线无论怎么偏离磁芯中心处，U₁+U₂+U₃+U₄基本不变，所以消除了因被测导线偏离磁芯中心而产生的误差，且开过四次气隙后，磁路磁阻是单气隙磁阻的四倍，不易饱和。

本发明一种新型高精度开环霍尔电流传感器，有益效果如下：

1：从上式可以看出K_HI为定值，所述霍尔电流传感器的输出电压是随外磁场也即被测电流I_P线性变化。灵敏度可以通过选择高灵敏度霍尔芯片及其相应信号处理电路提高。由其原理可知，霍尔电流传感器的输出为四个霍尔芯片输出的电压和，精度较传统单霍尔电流传感器更高。

2：与现有单霍尔电流传感器相比，被测导线偏离磁芯中心位置对本发明传感器输出影响极小，不会因为导线位置而产生输出偏移。不需要在传感器外壳结构上做特定设计，适用于导线外径小于磁芯内边长的所有被测导线。

3：较现有单气隙的霍尔电流传感器相比，本发明传感器的磁芯在开四气隙之后，磁芯不易饱和，能够测量工业级更大的电流，且受软磁材料固有的磁滞效应更小。

4：与现有无磁芯的霍尔列阵相比，本发明传感器因为有磁芯所以较外界磁场干扰较小。

附图说明

图1为本发明霍尔电流传感器的原理图。

图2为本发明霍尔电流传感器的磁芯几何尺寸图

图3本发明霍尔电流传感器的磁芯材料磁滞回线图。

图4本发明霍尔电流传感器的同相加法器电路图。

图5本发明霍尔电流传感器的同相比例放大器电路图。

图6为本发明霍尔电流传感器的硬件电路图。

具体实施方式

一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，如图1所示，用一个方形磁环开四个个相同宽度的气隙，这四个开口气隙关于磁环中心对称，利用四个特性完全一致的霍尔芯片分别置于磁环的四个气隙处，四个霍尔芯片的输出接入由运算放大器构成的加法器电路，这样传感器输出为四个霍尔芯片产生的电压和，在调节反馈电阻大小从而达到目标输出。

本发明一种新型高精度开环霍尔电流传感器，分为三个部分磁路部和电路部。

(一)、磁路部分的设计：

(1)、磁环结构形式：磁环的形状有方形、圆形两种结构，方形结构用于大电流的方型汇流条或母线，所以本传感器采用方形结构，外边长为40mm，外边长为30mm，厚度为10mm。磁环几何尺寸如图2所示。

(2)、开口尺寸设计：根据可知，开口的大小直接决定了磁环处的磁感应强度大小。从磁场的连续性及均匀性考虑，开口尺寸小，则磁场连续性、均匀性好。本发明因为一个磁环需开四个开口，不能让开口气隙过大，所以本发明利用一个磁环，取四个1.2mm的开口大小。如图3所示为磁芯的磁滞回线。

(3)、磁环材料选择：软磁材料铁氧体具有成本低，适合用于开环霍尔电流传感器磁芯，本发明用铁氧体材料，可大规模生产，节约成本。

(二)、电路部分的设计：

(1)、如图2所示，所选芯片为四个相同的霍尔器件DS-CC6501，当被测电流I_P通过时，在相同磁芯不同气隙下产生的电压U1、U2、U3和U4：电容的作用为将高频干扰信号短接入地，降低传感器噪声。

(2)、根据设计方案，运算放大器需要轨对轨双运放精密型运算放大器，本发明采用运算放大器为TS922。

(3)、U1、U2、U3和U4经过由运算放大器TS922、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C5构成的减法器后得到的电压为U₅，U5＝(U1+U2+U3+U4)。如图3所示为加法器具体电路图。

(4)、若要得到目标增益，U₅还需要经过比例放大，如图4所示，电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10和电容C7构成本发明比例放大器，经过比例放大后。调节电阻R9和电阻R10的大小可改变传感器目标增益。电容C7作用为减小运算放大器自身噪声。

(5)、U_O为本发明传感器最终输出电压。整个硬件电路图如图6所示。

Claims

1.一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，包括一个磁环，其特征在于：所述磁环开设有四个宽度相同的开口气隙作为传感器磁路，每一个开口气隙处放置一个霍尔芯片，四个霍尔芯片输出端接入加法器。

2.根据权利要求1所述一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，其特征在于：所述加法器连接比例放大器，用于将四个霍尔芯片输出端的输出电压相加，得到输出电压之和，并通过比例放大器对输出电压之和和进行放大或缩小，得到与待测电流呈正比的电压输出。

3.根据权利要求2所述一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，其特征在于：所述加法器包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C5；

电阻R1一端连接霍尔芯片N1输出脚，电阻R1另一端连接第一运算放大器同相输入端；电阻R2一端连接霍尔芯片N2输出脚，电阻R2另一端连接第一运算放大器同相输入端；电阻R4一端连接霍尔芯片N3输出脚，电阻R4另一端连接第一运算放大器同相输入端；电阻R6一端连接霍尔芯片N4输出脚，电阻R6另一端连接第一运算放大器同相输入端；

电阻R3一端连接GND端，电阻R3另一端连接第一运算放大器反相输入端；

电阻R5一端、电容C5一端均连接第一运算放大器反相输入端，电阻R5另一端、电容C5另一端均连接第一运算放大器输出端。

4.根据权利要求3所述一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，其特征在于：所述比例放大器包括第二运算放大器、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C7；

电阻R7一端连接GND端，电阻R7另一端连接第二运算放大器同相输入端；

电阻R8一端连接第二运算放大器输出端，电阻R8另一端为传感器输出端口；

电阻R9一端连接第一运算放大器输出端，电阻R9另一端连接第二运算放大器反相输入端；电阻R10一端、电容C7一端均连接第二运算放大器反相输入端，电阻R10另一端、电容C7另一端均连接第二运算放大器输出端。

5.根据权利要求1所述一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，其特征在于：所述磁环采用铁氧体材料。

6.根据权利要求1所述一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，其特征在于：所述磁环为方形、或者圆形。

7.根据权利要求1所述一种单磁芯四气隙的开环霍尔电流传感器，其特征在于：所述磁环开口大小为：1.2mm。