CN109444513A

CN109444513A - 一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器

Info

Publication number: CN109444513A
Application number: CN201811481718.1A
Authority: CN
Inventors: 谭超; 龚晓辉; 杨哲; 乐周美; 宋轩宇
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-03-08

Abstract

一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，两个几何尺寸一样、开口气隙厚度不一样的磁环作为传感器的磁芯，两个特性完全一致的霍尔芯片分别放入两个磁环开口气隙处，两个霍尔芯片输出分别接入低温漂差分放大器的正、负输入端，构成双磁芯低温漂霍尔电流传感器。利用减法器将两个霍尔芯片输出电压相减，得到两者电压之差，并用放大器对此电压差进行放大，得到与待测电流呈正比的电压输出。本发明一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，在不需要温度补偿电路的情况下，能够明显改善开环霍尔电流传感器温度漂移，提高灵敏度和精度。

Description

一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器

技术领域

本发明涉及一种霍尔电流传感器，具体是一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器。

背景技术

开环霍尔电流传感器因其结构简单、低成本、低功耗、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，广泛的应用于工业级大电流测量(200A以上)。

开环霍尔电流传感器的性能取决于霍尔器件和提供聚磁效应的磁环，霍尔器件作为一种半导体器件，其零点和灵敏度会随着温度的变化而产生漂移，除此之外，由于磁环是软磁材料，其磁磁导率也会随着温度的上升而大幅度降低，从而导致聚磁效应的降低，上述两个原因影响了开环霍尔电流传感器的温度稳定性及电流测量精度。现有部分高精度霍尔器件内部已经集成了温度补偿电路，能够满足工业级温度要求，如DS-CC6501，其正常工作温度为-40℃～120℃，在将其用于霍尔电流传感器设计后不会对电流测量产生影响，因此，开环霍尔电流传感器的温度漂移主要由磁环产生。现有解决方案主要有两大类：一类是通过温度补偿来消除温漂问题；另一类是通过增加一个反馈线圈构成闭环霍尔电流传感器。温度补偿方案主要分为两种，一种是硬件补偿法，需要预先知道磁芯材料、霍尔器件和温度三者的关系，但是三者之间的关系复杂，简单的线性或非线性电路难以实现全量程范围内温度补偿需求，此外补偿电路硬件结构复杂，增加了传感器成本。另一种是软件补偿，但是需要借助处理器来完成，额外的增加了***复杂度。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。

发明内容

为了降低开环霍尔电流传感器的温漂，克服现有技术的不足，本发明提供一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，在不需要温度补偿电路的情况下，能够明显改善开环霍尔电流传感器温度漂移，提高灵敏度和精度。

本发明采取的技术方案为：

一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，两个几何尺寸一样、开口气隙厚度不一样的磁环作为传感器的磁芯，两个特性完全一致的霍尔芯片分别放入两个磁环开口气隙处，两个霍尔芯片输出分别接入低温漂差分放大器的正、负输入端，构成双磁芯低温漂霍尔电流传感器。

利用减法器将两个霍尔芯片输出电压相减，得到两者电压之差，并用放大器对此电压差进行放大，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C₁和C2的聚磁作用，使霍尔芯片DS-CC6501上方各产生一个磁场H，这里因为磁芯的气隙宽度不一样，所以两个霍尔芯片对应的磁感应强度B不一样，从而两个霍尔芯片输出电压不一样，经过一个减法器后，输出电压U_o为两个霍尔芯片产生的电压差在经过同相比例放大器之后的电压。

所述双磁芯霍尔电流传感器具体通过三个部分实现，其分别为用于提供两个霍尔器件所需不同磁感应强度的双磁芯磁路、用于将两个霍尔器件产生电压相减的减法器电路、用于达到所诉传感器目标增益的同相比例放大电路。

所述用于提供两个霍尔器件所需不同磁感应强度的双磁芯磁路，具体由两个相同磁环开不同气隙所构成的双磁芯。

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：

当通电导线穿过圆环时，磁环中的磁感应强度B_core可以用下式表示:

式子中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。

当磁芯开口后，由于气隙l_air远小于磁环尺寸，可认为开口处的磁场是连续且均匀的，根据安培环路定则，可得：

当温度上升时，软磁材料μ_r下降，从而导致B_air下降，这是霍尔电流传感器磁路部分的产生温漂的主要原因。

因为所选磁芯为软磁材料，其磁导率极高，所以气隙处的磁感应强度B_air简化为：

从上式可以看出磁芯气隙处磁感应强度是随气隙的大小线性变化的，进一步地，由于C₁和C₂开口尺寸不同，导致气隙处的磁感应强度不一样，设磁芯C₁气隙处的磁感应强度为B_air1，C₂气隙处的磁感应强度为B_air2，所以：

两个相同霍尔器件在上诉两个气隙产生的电压分别为：

其中U1为霍尔器件在磁芯C₁气隙处产生的电压，U2为霍尔器件在磁芯C₂气隙处产生的电压。

进一步地，所述用于将两个霍尔器件产生电压相减的减法器电路由运算放大器OP07，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4构成。电阻R1一端连接霍尔芯片H1，电阻R1另一端分别连接电阻R3一端、第一运算放大器同相输入端；电阻R2一端连接霍尔芯片H2，电阻R2另一端分别连接电阻R4一端、第一运算放大器反相输入端；电阻R3另一端连接GND端，电阻R4另一端连接第一运算放大器输出端。

将两个霍尔器件产生的电压相减，由此可以得到：

其中U3为两个霍尔器件产生的电压差。

进一步地，用于达到所诉传感器目标增益的同相比例放大电路由运算放大器OP07、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1构成。电阻R5一端连接GND端，电阻R5另一端连接第二运算放大器同相输入端；电阻R6一端连接第一运算放大器输出端，电阻R6另一端分别连接电阻R7一端、电容C1一端、第二运算放大器反相输入端；电阻R7另一端、电容C1另一端连接第二运算放大器OP07输出端。

实现目标增益需要调节电阻R6和电阻R7的大小，具体表示为：

本发明一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，有益效果如下：

1：从上式可以看出K_HI为定值，所述双磁芯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。由式可知，当温度上升时，B_air2和B_air1同时减小，但是B_air2-B_air1基本不变，所以本传感器相比现有开环霍尔电流传感器能够降低温度漂移。

2：与现有技术相比，在不需要引入温度补偿电路的情况下，能够降低霍尔电流传感器磁路上的温度漂移，提高了霍尔电流传感器在较大温度范围内的测量精度以及霍尔电流传感器的温度稳定性。

3：不需要通过温度补偿来消除温度漂移，利用双磁芯减法器电路降低开环霍尔电流传感器的温度漂移，满足应用于工业级大电流测量的开环霍尔电流传感器性能要求。该方案较温度补偿电路而言：结构简单、通用性强且能够明显降低开环霍尔电流传感器温度漂移。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的原理图。

图2为霍尔器件电路图。

图3为减法器电路图。

图4为增益放大示意图。

图5为本发明的硬件电路图。

具体实施方式

发明一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，分为两个部分磁路部分与电路部分。

(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，圆形结构用于一般圆形导线。所以采用圆形结构，开口数为一个，内圆直径16mm，外圆直径28mm。

(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。但过小的开口尺寸，又极易导致磁环饱和，导致输出失真。所以本发明磁环C₁取2cm，C₂取1.5cm。

(3)、磁环材料选择：设计双软磁材料的选择主要考虑三点：高磁导率，以便快速聚磁；低矫顽力，磁滞损耗越低；低温度系数，降低传感器温漂。本发明使用软磁材料为坡莫合金，该材料具有高磁导率，低矫顽力特点。

(二)、电路部分的设计：

(1)、如图2所示，所选芯片为两个相同的霍尔器件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和U2：

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低温漂精密型运算放大器，本发明采用运算放大器为OP07。

(3)、U1和U2经过由运算放大器OP07、电阻R1、电阻R2、电阻R3构成的减法器后得到的电压为U₃，U₃＝U₁-U₂＝K_HI(B_air2-B_air1)。如图3所示为减法器具体电路图。

(4)、若要得到目标增益，U₃还需要经过比例放大，如图4所示，电阻R5、电阻R6、电阻R7和电容C1构成本发明比例放大电路，经过比例放大后

调节电阻R6和电阻R7的大小可改变传感器目标增益。电容C₁作用为减小运算放大器自身噪声。

(5)、U₄为本发明传感器最终输出电压。整个硬件电路图如图5所示。

Claims

1.一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，其特征在于：两个几何尺寸一样、开口气隙厚度不一样的磁环作为传感器的磁芯，两个特性完全一致的霍尔芯片分别放入两个磁环开口气隙处，两个霍尔芯片输出分别接入低温漂差分放大器的正、负输入端，构成双磁芯低温漂霍尔电流传感器。

2.根据权利要求1所述一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，其特征在于：利用减法器将两个霍尔芯片输出电压相减，得到两者电压之差，并用放大器对此电压差进行放大，得到与待测电流呈正比的电压输出。

3.根据权利要求1所述一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，其特征在于包括：

用于提供两个霍尔器件所需不同磁感应强度的双磁芯磁路、

用于将两个霍尔器件产生电压相减的减法器电路、

用于达到传感器目标增益的同相比例放大电路。

4.根据权利要求3所述一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，其特征在于包括：

所述双磁芯磁路包括两个相同磁环开不同气隙所构成的双磁芯，

根据权利要求3所述一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，其特征在于：

所述减法器电路包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4；

电阻R1一端连接霍尔芯片H1，电阻R1另一端分别连接电阻R3一端、第一运算放大器同相输入端；电阻R2一端连接霍尔芯片H2，电阻R2另一端分别连接电阻R4一端、第一运算放大器反相输入端；电阻R3另一端连接GND端，电阻R4另一端连接第一运算放大器输出端。

5.根据权利要求4所述一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，其特征在于：

所述同相比例放大电路包括第二运算放大器、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1；

电阻R5一端连接GND端，电阻R5另一端连接第二运算放大器同相输入端；电阻R6一端连接第一运算放大器输出端，电阻R6另一端分别连接电阻R7一端、电容C1一端、第二运算放大器反相输入端；电阻R7另一端、电容C1另一端连接第二运算放大器OP07输出端。

6.根据权利要求1所述一种双磁芯低温漂霍尔电流传感器，其特征在于：

磁环结构形式：磁环的形状为方形、或者圆形，方形结构用于大电流的方型汇流条或母线，圆形结构用于一般圆形导线。