专利名称：电流传感器、系统及方法
技术领域：
本发明总的来说涉及电流传感器，更具体地，涉及例如适用于高达约500安培(A)的大电流的磁电流传感器。
背景技术：
常规的用于感测电流的磁传感器已被知晓。某些电流感测系统利用了磁传感器被用作零位检测器，且系统产生出抵消待测电流的磁场的补偿场的闭环 原理。尽管精确，但这种系统可能要面临产生补偿磁场所需的很大功耗。其他系统是通常精度低于上述闭环系统的开环系统。开环系统一般使用线性磁场传感器，诸如霍尔板等，且需要可能在制造上较为困难而且昂贵的特殊形状的导体。这些以及其他电流传感器还可能面临其他缺陷，包括磁滞效应、非线性、有限过电流能力(cover-current capabilities)和/或磁屏蔽等。因此,有必要改善电流感测系统及方法。
发明内容
本发明公开了电流传感器、系统及方法。在实施方式中，一种电流感测系统，包括导体，其具有沿着电流通路的恒定截面；基板，其耦接至导体；以及多个传感器元件，其排列在基板的表面上，多个传感器兀件中的第一个被布置在导体的中点处，多个传感器兀件中的第二个被布置在第一个的第一侧且隔开一距离，并且多个传感器元件中的第三个被布置在第一个的第二侧且隔开上述距离，其中，感测系统的输出与来自第一个的信号减去除以2的来自第二个的信号再减去除以2的来自第三个的信号所得的结果相关。在实施方式中，一种方法，包括形成电流传感器，其包括具有沿着电流通路的恒定截面的导体、耦接至导体的基板以及在基板的表面上等间隔排列的三个传感器元件，其中，三个中的第一个被布置在导体的中点处；使电流在导体中流通，从而诱导出能够被传感器元件检测的磁场；以及接收电流传感器的与来自三个传感器元件中的第一个的信号减去一半的来自三个中的第二个的信号再减去一半的来自三个中的第三个的信号所得的结果相关的输出。在实施方式中，一种电流感测系统，包括导体，其具有沿着电流通路的恒定截面；基板，其耦接至导体；以及至少两个传感器元件，其彼此间隔开并沿着基板的表面上的轴排列，该至少两个传感器元件中的第一个被布置在相对于导体的中心线的第一距离处，并且至少两个传感器元件中的第二个被布置在相对于导体的中心线的第二距离处，第一距离和第二距离不相等，且导体的中心线垂直于该轴，并且至少两个传感器元件对平行于表面并由导体中流通的电流所诱导的磁场分量敏感。
结合附图考虑以下对本发明的各种实施方式的详细描述，可对本发明有更加全面的理解，其中图I示出了根据实施方式的电流传感器系统。图2示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，I表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向。图3A示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，I表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向，3表示倾斜。图3B示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，I表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向，3表示倾斜，4表示导体的中心线。图3C示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，I表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向，4表示导体的中心线。·图4示出了根据实施方式的传感器输出信号的曲线图。图5示出了根据实施方式的在各种距离处的传感信号的分量，其中，示出了 500A时导体短边上方O. 5mm处的_Bx_emqa[T]。图6是汇总图5数据的曲线图，其中，示出了导体表面上方O. 5mm处的情况。尽管本发明可进行各种修改和替换形式，但其具体形式已在附图中通过实例的方式被示出，并且将被详细描述。然而，应当理解的是，该目的并非将本发明限定于所述具体实施方式
。相反，该目的是为了涵盖所有属于由所附权利要求限定的本发明的思想和范围内的变形例、等价物及供选方案。
具体实施例方式实施方式涉及磁电流传感器。在各种实施方式中，电流传感器可包括具有诸如圆形、方形或矩形的恒定截面外形的，且通常没有任何凹槽或沟槽转移电流，从而具有更简单的制造工艺、低电阻和较高机械强度的简单导体(simple conductor)。在实施方式中，该导体可包括诸如铝或铜的非磁性导电材料。参照图1，磁电流传感器系统100的实施方式包括导体102。在实施方式中，导体102具有诸如圆形、方形或矩形的简单、恒定的截面轮廓，而且可关于z轴对称(如图I所示)。在实施方式中，导体102的取向可相对于基板104旋转90度，使得导体102的主面平行于基板104的主面。在实施方式中，导体102的具体取向可以改变，例如与如本文下面所讨论的纵横比有关。在实施方式中，导体102可被连接至基板104，该基板可包括硅、玻璃、陶瓷或某些其他合适材料。在一实施方式中，电压隔离层106被配置在导体102与基板104之间。在实施方式中，基板104包括磁场传感器兀件。在一实施方式中，基板104至少包括两个磁场传感器元件。在图I的实施方式中，基板104包括三个磁传感器元件SL、SC和SR，与两元件系统相比，它们能提供对背景磁场的更高抑制。在待审查美国申请第12/630，596号中公开了三霍尔元件系统，其全部内容通过引用结合于此。传感器兀件SL、SC和SR可被置于基板104的顶面或底面上，并且在相对于导体102的固定位置处被基板104保持。在各种实施方式中，传感器兀件SL、SC和SR可相对于导体102以不同方式被布置。例如，图I示出了沿着X轴排列的传感器元件，其中SC位于O处，SL位于X =-b处且SR位于X =+b处。在其他实施方式中，该传感器元件可沿不同的轴排列或可基本上沿轴排列。例如，一个以上的元件可稍微偏离由其他传感器元件限定的轴例如约I或2mm，尽管这种排列可能降低对垂直于轴的磁场梯度的抑制。其他结构也是可以的。传感器元件SL、SC和SR对磁场的平行于其上安装了传感器元件SL、SC和SR的基板104的平面且垂直于导体102中的电流流通方向的分量Bx敏感。传感器元件SL、SC和SR被不对称地布置，使得各自经受不同的磁场。例如，在导体102中流通的电流能引起SL上的Bx分量Bxl、SC上的Bx2和SR上的Bx3。在仅包括两个磁传感器元件SL和SR的实施方式中，Bxl等于-Bx3，但这可能在实际中很难获得。在实施方式中，更实际的结果是Bxl > Bx3 > O0传感器100确定至少在两个磁场传感器处的Bx分量的差
信号=(传感器I的信号)-(传感器2的信号)其中，传感器I的信号大致与Bxl成正比，且传感器2的信号大致与Bx3成正比。这样，传感器系统100是一阶梯度仪，其消去了均匀的背景磁场，因为如果磁扰在各传感器元件上相等，并且两个传感器元件同等地去响应该扰动，那么该扰动基于减法而消除。再参照图I的实施方式，配置三个传感器元件SL、SC和SR能更好地抑制背景磁场。在一实施方式中，传感器元件SL、SC和SR在基板104上沿着单个轴空间等距离分开式排列，为了方便，本文将对应图I的取向称作xi轴。在该实施方式中，传感器系统100 (现为二阶梯度仪)求得信号=(SC的信号)-(SL的信号)/2- (SR的信号)/2因此，该实施方式消去的不光是均匀的背景磁场，而且还有是坐标Xi的线性函数的具有空间依赖性的场。因此，图I的具有SL、SC和SR的系统100提供了比之前讨论的简单的两传感器元件实施方式更好的对磁扰的抑制。正如本领域技术人员所理解的那样，传感器元件SL、SC和SR不需要是完全线性的，尽管对于小磁场期望适当的线性。此外，传感器元件SL、SC和SR的磁灵敏度可依赖于磁场的其他分量(正交于磁场分量的串扰)。例如，在异于Bx的方向上的外部磁场可能改变传感器元件SL、SC和SR的磁灵敏度。然而，传感器系统100可提供已知强度的很小的自校准磁场，它在实施方式中能以规定模式周期性开启和关闭，或者在其他实施方式的例如扩展光谱通信系统中随机性开启和关闭。传感器系统100随后能从其他传感器信号中，通过相位同步检测而提取出该模式(所谓的自校准模式)。通过比较对自校准序列的传感器响应的强度与关于导体102中的电流的信号，系统100即使不知道传感器元件SL、SC和SR的灵敏度也能推导出电流。在实施方式中，自校准磁场不需要补偿由导体102中的待测电流引起的整个场；因此，产生自校准磁场的功率低于其他闭环系统。例如，在一实施方式中，使用了单个的稍微非线性的传感器元件SC和自校准。“稍微非线性”是指输出信号是所施加场的非线性函数Sig = K0+KlBx+K2B^若K2 = 0，则传感器是线性的。因此，非线性由K2的大小来定义|K2|越大，传感器越呈非线性。该信号应当对应Bx场的消失而消失，故Ktl = 0，这意味着零点误差可忽略。然而，若所有传感器元件均具有相同的Κ0，或至少相对于诸如寿命和温度等工作条件稳定的K0，则该系统仍然工作。假设在一实施方式中，施加至传感器兀件SC的整个磁场的X分量是扰动场Bxd、主电流I (通过电流轨(current rail)的待测电流)的场CxI和自校准电流Iaral的场Bx, acal=Cacai Iacai 的置加Bx = Bxd+CxI+CacalIacalo此外，假设施加至该传感器元件的整个磁场的I分量为By = Byd它是作用在传感器SC上的扰动磁场的y分量。函数HpK2可以是By分量的任意函数，它意味着在X分量与I分量之间的串扰可以是任意的。函数IV K1, K2还可以是温度、机械应力和寿命的任意函数。
系统100使用一定频率fac;al的自校准场，并从信号中提取出该频率的一次和二次谐波二次谐波=Sig2 = K2 (CacalIacal)2，因为知道了Caeal和Iaeal，所以系统100能从中计算出K2 = (CacalIacal)VSig20—次谐波=Sigl = K1CacalIacal+2K2CacalIacal(Bxd+CxI)若自校准磁场关闭，则该信号变为Sig0 = KfK1 (Bxd+CxI) +K2 (Bxd+CxI)2若自校准场未关闭，则自校准频率的周期的整数倍上的时间平均变为Sig'。= KfK1 (Bxd+CxI)+K2 (Bxd+CxI)2+K2 (CacalIacal) 2/2 = Sig0+Sig2/2Sig'。包括了与Sigtl相同的信息，从而在积分时间内可选择一个以关闭或开启自校准磁场。因此，该系统具有3个方程方程I :Sig2 = K2 (CacalIacal) 2/2方程2 =Sig1 = K1CacalIacal+2K2CacalIacal (Bxd+CxI)方程3 =SigO = VK1 (Bxd+CxI) +K2 (Bxd+CxI)2若IVKpKdP (Bxd+Cx*I)未知，则三个方程不足以确定四个未知数。若Ktl可忽略，则该系统能求解出三个未知数。将该理论扩展至一阶梯度仪，该系统包括两个传感器元件SL和SR，二者相减Sig = Sig(L)-Sig(E)则该信号的零阶、一阶和二阶谐波变为方程I 'Sig1=K^hlacJ1 /2-K^(caJRhacalf /2方程2 -.Sigl = K[L^Cacal^Iacal + 2Kf^Cacal^Iacal(efj +C^l)- ea/W/aea/产)/aea/(5g) + Cf)/)方程3 : SigQ =KfK Κ[ ) [B(xLJ + C{xL)l)+ Ki^ ( ) +_( ) + Cf)/)- (b^ + C^if这里我们假设传感器SL和SR的所有参数IV K1, K2均不相同，且扰动场和来自主电流的场在两个传感器元件SL和SR处也不相同。
我们可在更高程度上假设两个传感器元件SL和SR匹配得很好。这提供了
并且，我们可假设扰动磁场相对均匀，从而Sg) 。同时，自校准场在两个传感
器元件上具有同样大小但符号相反caMla) = -caMl ，然而主电流的场则不需要。那么方程I :Sig2 = O方程
权利要求
1.一种电流感测系统，包括 导体，具有沿着电流通路的恒定截面； 基板，耦接至所述导体；以及 多个传感器兀件，布置在所述基板的表面上，所述多个传感器兀件中的第一个被布置在所述导体的中点处，所述多个传感器元件中的第二个被布置在所述第一个的第一侧且隔开一距离，并且所述多个传感器元件中的第三个被布置在所述第一个的第二侧且隔开所述距离，其中，所述感测系统的输出与来自所述第一个的信号减去除以2后的来自所述第二个的信号再减去除以2后的来自所述第三个的信号所得的结果相关。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述基板的所述表面背离所述导体。
3.根据权利要求I所述的系统，其中，所述截面为圆形。
4.根据权利要求I所述的系统，其中，所述截面为矩形。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述导体的主面平行于所述基板的所述表面。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述导体的次面平行于所述基板的所述表面。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述导体的纵横比在约3至约12之间。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述纵横比约为10。
9.根据权利要求I所述的系统，其中，所述导体包括铜或铝中的至少一个，以及其中，所述基板包括硅、玻璃或陶瓷中的至少一个。
10.根据权利要求I所述的系统，还包括耦接在所述基板与所述导体之间的隔离层。
11.根据权利要求I所述的系统，其中，所述多个传感器元件包括磁阻(XMR)传感器元件。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述XMR传感器元件选自由各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)和庞磁电阻(CMR)组成的组。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述XMR传感器元件被设置为与所述电流通路平行。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述XMR传感器元件或所述基板中的至少一个被设置为相对于所述电流通路成一定角度。
15.根据权利要求I所述的系统，其中，所述系统利用自校准技术。
16.根据权利要求I所述的系统，其中，所述多个传感器元件对平行于所述基板的所述表面且垂直于所述电流通路的磁场分量敏感。
17.根据权利要求I所述的系统，其中，所述系统被构造为感测所述导体中的高达约500安培的电流。
18.—种方法,包括 形成电流传感器，所述电流传感器包括具有沿着电流通路的恒定截面的导体、耦接至所述导体的基板以及在所述基板的表面上等间隔排列的三个传感器元件，其中所述三个中的第一个被布置在所述导体的中点处； 使电流在所述导体中流通，从而诱导出能够被所述传感器元件感测的磁场；以及 接收所述电流传感器的与来自所述三个传感器元件中的所述第一个的信号减去一半的来自所述三个中的第二个的信号再减去一半的来自所述三个中的第三个的信号所得的结果相关的输出。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括提供输出信号的自校准。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括利用XMR传感器元件作为所述三个传感器元件。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括相对于所述导体中的电流流通方向倾斜所述XMR传感器元件或所述基板中的至少一个。
22.一种电流感测系统，包括 导体，具有沿着电流通路的恒定截面； 基板，耦接至所述导体；以及 至少两个传感器元件，彼此间隔开并且沿着所述基板的表面上的轴排列，所述至少两 个传感器元件中的第一个被布置在相对于所述导体的中心线的第一距离处，并且所述至少两个传感器元件中的第二个被布置在相对于所述导体的所述中心线的第二距离处，所述第一距离和所述第二距离不相等，且所述导体的中心线垂直于所述轴，并且所述至少两个传感器元件对平行于所述表面的并且由所述导体中流通的电流诱导出的磁场分量敏感。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述至少两个传感器元件中的所述第一个被设置在所述导体的所述中心线上。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，由所述系统产生自校准场，所述自校准场具有在第一方向上作用于所述至少两个传感器元件中的所述第一个的第一分量和在第二方向上作用于所述至少两个传感器元件中的所述第二个的第二分量，所述第一方向和所述第二方向是相反的方向。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，计算具有至少两个预定模式的所述至少两个传感器元件中的所述第一个和所述第二个的各输出信号之间的差的自相关值，并且其中，所述导体中的电流是所述自相关值和所述自校准场的函数。
全文摘要
本发明提供了一种电流传感器、系统及方法。实施方式涉及磁电流传感器。在各种实施方式中，电流传感器可包括具有诸如圆形、方形或矩形等恒定截面形状的且通常没有任何凹槽或沟槽转移电流，从而具有更简单的制造工艺、低电阻和较高机械强度的简单导体。在实施方式中，该导体可由诸如铝或铜等的非磁性导电材料形成。
文档编号G01R19/00GK102735901SQ20121010749
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月12日 优先权日2011年4月14日
发明者乌多·奥塞尔勒基纳 申请人:英飞凌科技股份有限公司