专利名称：差分式霍尔电流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属传感技术与测量技术领域，具体涉及一种差分式霍尔电流传感器。
背景技术：
传统的开环型霍尔电流传感器包括外壳，外壳内装有开口环状铁芯，铁芯的开口 处镶嵌有线性霍尔元件(简称霍尔元件)，外壳上设有内设接线端子的接口，霍尔元件与接 线端子电连接。温度的变化，会导致霍尔元件的输出产生漂移，影响其测量精度和线性度， 因此，霍尔电流传感器需要进行复杂的温度补偿和线性校正。补偿措施和线性校正的方法 很多，归纳起来大致分为电路补偿、软件补偿和多传感器融合技术补偿。这些技术方法虽一 定程度改善了传感器的稳定性和测量精度，但实现方法复杂，造价高、精度低，没有充分利 用霍尔元件的自身特性实现自补偿校正。 电路补偿法一般采用温度敏感器件取样环境温度，通过信号处理电路进行温度补 偿和线性校正，在一定程度改善了传感器的测量精度。但不同类型的半导体器件，温度特性 难以保证一致性，可能造成补偿失真。 软件补偿法是通过应用软件对霍尔电流传感器进行温度补偿和线性校正，补偿原 理是根据理论模型和实验数据对测量结果进行修正，省掉了电路补偿。但软件补偿往往具 有针对性，对霍尔电流传感器的一致性要求高，难以保证统一。传感器本身不具补偿功能， 不具通用性。 多传感器融合技术补偿法更为复杂，通过电流传感器与温度传感器联合工作，获 取电流与温度信息，由应用软件进行数值融合，对测量数据进行实时修正而得到补偿，也具 有软件补偿的缺点。 闭环型霍尔电流传感器则是采用零磁通检测原理，利用霍尔元件检测剩余磁通， 通过磁平衡的技术方法，由平衡电路获得待测电流的大小，是在开环型霍尔电流传感器的 基础上的技术改进。相对开环型而言，提高了检测精度，但闭环型霍尔电流传感器同样存在 零点漂移现象，大电流检测时实现技术方法复杂，造价昂贵。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种差分式霍尔电流传感 器，能够从信号源头上抑制温度漂移和共模干扰，实现待测电流与信号电压的线性化转换， 省掉复杂的补偿和校正措施，提高电流传感器的线性度和测量精度。 为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种如下结构的差分式霍尔电流传感 器，包括外壳，外壳内装有开口环状的铁芯，其结构特点是所述铁芯的开口处镶嵌有霍尔 组件，霍尔组件由两个结构型号相同的线性霍尔元件构成，两个线性霍尔元件字符标志面 相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；两个线性霍尔元件的正极输入端电连接在一起作 为电流传感器的正极输入端，两个线性霍尔元件的负极输入端电连接在一起作为电流传感 器的负极输入端，两个线性霍尔元件的两个信号输出端作为电流传感器的信号输出端。[0009] 上述结构的电流传感器，其霍尔组件由两个结构型号相同的线性霍尔元件构成， 两个线性霍尔元件字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；两个线性霍尔元件 以差分的方式输出信号电压构成差分式霍尔组件，差分式霍尔组件自身能够抑制共模信号 和温度漂移，具有自补偿与线性校正的特点，改善了输出线性度；霍尔组件输出电压是一个 霍尔元件输出电压的两倍，提高了输出信号幅度。从而使本实用新型具有抑制共模干扰、降 低温度漂移、减小静态输出、增大信号幅度的优点，进而带来了可省缺温度补偿措施，提高 测量精度的积极效果。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步的详细说明
图1为本实用新型的结构示意图； 图2是霍尔组件的结构示意图； 图3是霍尔组件的简化符号图； 图4是差分式电流传感器的原测量理图。
具体实施方式如图1所示，差分式霍尔电流传感器包括外壳13，外壳13上设有接口 10，接口 10 内设有四个接线端子，外壳13内装有开口环状的铁芯14，铁芯14的开口处镶嵌有霍尔组件 15。如图2所示，霍尔组件15由第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12构成，第一 线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12结构型号相同，第一线性霍尔元件11和第二线性 霍尔元件12的字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起，图中法向矢量n表示第 一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的字符标志面的方向，两线性霍尔元件表面上 的数字1、2、3为引脚序号，两线性霍尔元件的1脚相连后作为电流传感器的正极输入端Vc 接电源的正极，2脚相连后作为电流传感器的负极输入端、接电源的负极，第一线性霍尔元 件11的3脚作为电流传感器的第一信号输出端^ ;第二线性霍尔元件12的3脚作为电流 传感器的第二信号输出端U2。正极输入端Vc、负极输入端Vs、第一信号输出端仏和第二信 号输出端U2各与一个接线端子电连接。两个线性霍尔元件以差分的方式输出信号电压构 成差分式霍尔组件。 1、线性霍尔元件的输出特性 线性霍尔元件的输出电压与磁感应强度B成正比，线性霍尔元件输出特性可表示 为 U = U。±KHB (1) 式(1)中，U为霍尔元件输出电压，U。为静态(B = 0mT， Vc = 5V)输出电压，理想 状态下U。等于0V或等于2. 5V ;KH为霍尔电压系数。式中的正负号选取与霍尔元件的标识 面方向和磁场方向相关，磁感应强度B方向与标识面相反时取正号磁感应强度B方向与标 志面相同时取负号。 当霍尔元件的环境温度变化时，其静态输出电压将随之变化，设温度引起的温漂
电压为仏，式(1)可修正为 U = (U。+Ut) ±KHB (2)[0022] 式(2)表明，对同一线性霍尔元件改变磁场方向，或两个相同性质的线性霍尔元 件标志面相反处在相同磁场中，静态电压和温漂电压极性不随磁场变化，霍尔电压的极性 相反，即信号电压具有互补特点。 2 、差分式霍尔组件的输出特性 参见图3，法向矢量n表示第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的字符标 志面的方向。 设作用于第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的有效磁感应强度为B，第 一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的电压系数为K"考虑霍尔元件的静态输出的 差异，第一线性霍尔元件11的静态输出电压为U^第二线性霍尔元件12的静态输出电压 为U。y第一线性霍尔元件11的温漂电压为U"，第二线性霍尔元件12的温漂电压为U2t，因 第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的标志面方向相反，霍尔组件两信号输出端 的电压方程分别为 ^ = (U01+Ult) +KHB (3) U2 = (U02+U2t) _KHB (4) 理想情况下UQ1 " U。2 = C， C为常数。对同类型线性霍尔元件，温度影响的规律应 基本一致，即U""Um。 一般地，温度变化相对缓慢，U"At可视为直流信号。式(3)、式(4) 表明，与温度相关静态输出电压为共模电压信号，与磁场相关的霍尔电压为差模信号，霍尔 组件输出电压包含共模信号和差模信号成分。 分析式(3)、式(4)可知，每一线性霍尔元件的输出信号均包含静态电压U。、温漂
电压Ut和霍尔电压I^B。 U。、 Ut属共模干扰信号，显然，单一霍尔元件难以抑制共模干扰和
温度漂移，这也是传统式霍尔电流传感器必须进行温度补偿的主要原因。 若将第一线性霍尔元件11和第二线性霍尔元件12的输出电压之差U = UrU2作
为霍尔组件信号输出，即互补结构的霍尔组件以差分式输出，由式(3)、式(4)得 u = (U。「U。2) + (Ult—U2t)+2KHB (5) 若令A U。 = U。「U。2， Ut = Ult_U2t 式(5)可改写为u = AU。+AUt+2KHB (6) 选择同类型的两个线性霍尔元件，可使A U。 = U。rU。2 = C， A Ut = Ult_U2t " 0，式 (6)可近似为: u = C+2KHB (7) 式(7)中C为两线性霍尔元件静态输出差异产生的常数，C值理论上接近为OmV。 差分输出的结果表明，霍尔组件的互补式设计，减小了直流电压分量，加倍放大了信号电压 幅度。差分式电压输出，抑制了共模干扰和温度漂移，改善了线性霍尔组件的稳定性和线性 度，具有自补偿和线性校正的特征。 3、差分式电流传感器的测量原理 如图4所示，设某时刻导线9中通过电流I，电流产生的磁场通过铁芯14作用霍 尔组件15，设磁感应强度为B，方向垂直于霍尔组件15的敏感面向下。由于霍尔组件15厚 度很小，铁芯14的开口很窄，霍尔组件15处磁场的磁感应强度B可近似为处处相等。根据 毕-萨定律得 B = K工I (8)[0040] 式中&是与铁芯14的磁导率相关的常数，将式(8)代入式(7)得 u = C+2KAI (9) 因KH、 K工均为常数，令K = 式(9)改写为u = C+2KI (10) 式(10)表明，差分式霍尔电流传感器的输出电压u与I成正比，为线性关系，与温 度变化无关。差分式霍尔电流传感器抑制了温度漂移对测量的影响，可省掉温度补偿措施。 另外，输出信号电压是传统的霍尔电流传感器输出电压的2倍，提高了传感器的灵敏度，即 在相同灵敏条件下，差分式霍尔电流传感器的铁芯可减少尺寸，有助于传感器的小型化设 计。 本实用新型涉及的差分式霍尔电流传感器与传统的霍尔电流传感器相比，仅总加 了一片霍尔元件，就使电流传感器的输出特性得到了优化，具有抑制共模干扰、降低温度漂 移、减小静态输出、增大信号幅度的优点，因此，差分式霍尔电流传感器具有温度自补偿的 特性，可省缺温度补偿措施，传感器的性能得到了提高。传感器的差分式输出还便于与仪表 放大器直接接口 ，有利于简化应用系统的电路设计，提高系统的稳定性和测量精度。本实 用新型具有性价比高、可靠实用的优点，可替代传统的霍尔电流传感器，实现电流的精确测
权利要求一种差分式霍尔电流传感器，包括外壳(13)，外壳(13)内装有开口环状的铁芯(14)，其特征是所述铁芯(14)的开口处镶嵌有霍尔组件(15)，霍尔组件(15)由两个结构型号相同的线性霍尔元件构成，两个线性霍尔元件字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；两个线性霍尔元件的正极输入端电连接在一起作为电流传感器的正极输入端，两个线性霍尔元件的负极输入端电连接在一起作为电流传感器的负极输入端，两个线性霍尔元件的两个信号输出端作为电流传感器的信号输出端。
专利摘要本实用新型公开了一种差分式霍尔电流传感器，包括外壳，外壳内装有开口环状的铁芯，铁芯的开口处镶嵌有霍尔组件，霍尔组件由两个结构型号相同的线性霍尔元件构成，两个线性霍尔元件字符标志面相反、敏感面正对且相贴的固接在一起；两个线性霍尔元件的正极输入端电连接在一起作为电流传感器的正极输入端，两个线性霍尔元件的负极输入端电连接在一起作为电流传感器的负极输入端，两个线性霍尔元件的两个信号输出端作为电流传感器的信号输出端。该电流传感器具有抑制共模干扰、降低温度漂移、减小静态输出、增大信号幅度的优点，能带来可省缺温度补偿措施，提高测量精度的积极效果。
文档编号G01R15/20GK201514439SQ200920239770
公开日2010年6月23日 申请日期2009年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者邱召运 申请人:邱召运