[发明专利]一种单磁芯四气隙开环霍尔电流传感器

说明书

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。

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：