专利名称：Pcb型空心线圈电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电流传感器，特别涉及一种PCB型空心线圈电流传感器。
背景技术：
电子式电能表和继电微机保护装置中常用电流传感器来测量电流，所用的电流传感器有主要小型的电磁式电流互器器、小电阻电流旁路传感器器及霍尔效应传感器。电磁式电流互感器在测量很大或很小的电流时，由于励磁电流的影响，会产生较大的数值误差和相角误差。此外，铁芯使用的铁氧体材料在大电流下会饱和，而且磁化后铁芯还会产生磁滞现象，除非重新去磁，否则精度就会下降。因此小型的电磁式电流互器器用作电流测量时，其测量精度较低，尤其电流过大或过小时，测量误差大，且易受外界电磁干扰的影响。
小电阻电流旁路技术可用较低成本得到较高精度，而且电流的测量也很简单。在进行高精度电流测量时，需要考虑旁路的寄生电感，该电感量典型值为几个nH，频率较高时它将影响旁路阻抗的幅值。但它对相位的影响即使在工频条件下仍非常大，功率因素较低时会产生明显误差；并且这个技术因旁路电阻产生热量以及被测电流与确立电压之间缺少电流隔离而遭受损害，尤其大电流测量中，自热更严重。
霍尔效应传感器有两种主要类型，即开环型和闭环型，电能表中使用的绝大多数霍尔传感器均采用开环型设计以降低系统费用。霍尔传感器具有突出的频率响应特性，能够测量非常大的电流。但霍尔传感器受温度影响大，价格昂贵，并易受外界电磁干扰。
因此，以上的电流传感技术都存在很多不足，更重要的一点是它们都易受外界磁场的干扰，该磁场可能是远端产生的交变磁场(均匀磁场)或由流经位于电流传感器附近的导线的电流所产生的。电流传感器用作收费电能表计量的场合时，尤其重要的是，不能过度敏感于外界磁场的影响。
发明内容
为解决现有电流传感器所存在的精度低、抗干扰能力低的问题，本发明提供一种结构简单、线性度高、抗干扰能力强的PCB型空心线圈电流传感器。
本发明解决上述技术问题的技术方案是设有一层或多层PCB电路板，每层PCB板上设有4以上的偶数个相同的平面螺旋线圈，每块PCB板上的螺旋线圈对称分布，每层相邻的螺旋线圈依次串接，层与层之间的螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为输出端，构成二次线圈；一次线圈紧绕每层半数彼此不相邻的螺旋线圈构成一匝或多匝环路。
上述的PCB型空心线圈电流传感器中，所述二次螺旋线圈为大小均匀逐增的矩形、圆形、1/4圆形和三角形中的任一种，且层与层之间相应的二次螺旋线圈共轴。
上述的PCB型空心线圈电流传感器中，所述一次线圈围绕每层PCB上半数彼此不相邻的螺旋线圈直接印制于PCB上，或另用导电体镶嵌在PCB上。
上所述的PCB型空心线圈电流传感器中，所述PCB所有层上相应的一次螺旋线圈和二次螺旋线圈共轴。
一种PCB型空心线圈电流传感器，设有一层或多层PCB电路板，PCB板部分层或所有层上分别设有4以上的偶数个相同的平面螺旋线圈，每块PCB板上的螺旋线圈对称分布，每层相邻的螺旋线圈依次串接，层与层上的螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为输出端，构成二次线圈；围绕每个二次螺旋线圈嵌套制作与其形状相同的一次螺旋线圈，每层相邻的一次螺旋线圈依次串接构成一次线圈，层与层之间的一次螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为被测电流输入端。
上述的PCB型空心线圈电流传感器中，所述一次螺旋线圈、二次螺旋线圈均为大小均匀逐增的矩形、圆形、1/4圆形和三角形中的任一种，且层与层之间相应的二次螺旋线圈共轴。
上述的PCB型空心线圈电流传感器中，所述一次线圈围绕每层PCB上每个二次螺旋线圈直接印制于PCB上。
上述的PCB型空心线圈电流传感器中，所述PCB所有层上相应的一次螺旋线圈和二次螺旋线圈共轴。
本发明的技术效果1)本空心线圈电流传感器采用空心线圈，没有铁磁材料，不会因被测电流大而饱和，具有很高的线性度，且频带宽；2)本空心线圈电流传感采用多个均匀分布的传感线圈串接组成，外界干扰磁场在相邻线圈之间所产生的感应电动势大小相等、方向相反，最终串接相互抵消，起到了对外界干扰磁场无响应的作用，不需另外加电磁屏蔽层，且保证了测量精度；3)本空心线圈电流传感器可采用PCB制作，可显著降低成本、制作工艺精细、便于批量生产，且受温度影响小，还便于与电子式电能表和微机保护装置中的电子电路集成。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例1顶层的线圈结构示意图。
图2为本发明实施例1底层的线圈结构示意图。
图3为本发明传感线圈响应被测电流的原理图。
图4为本发明相对附近大电流产生的干扰磁场无响应的原理图。
图5为本发明实施例2顶层的线圈结构示意图。
图6为本发明实施例3的结构示意图具体实施方式
参见图1，图1为PCB电流传感器顶层上的绕线图，9、10、11、12均为PCB上印制线构成的螺旋线圈，它们紧围绕一个中心均匀分布；1、2、3、4均为PCB上的过孔，连接上下层螺旋线圈，13为传感线圈的输出端(PCB型空心线圈电流传感器的二次输出端)。当远端产生干扰的交变磁场穿过该层的传感线圈时，9与11两螺旋线圈产生的感应电动势大小相等、方向相反，串接从而相互抵消，10与12产生的感应电动势也会同样相互抵消。
图2显示了以上所述的PCB电流传感器底层上的绕线图，同样5，6，7，8均为PCB上印制线构成的螺旋线圈，紧围绕一个中心均匀分布，以上两个中心实质上为同一个中心。当远端产生干扰的时变磁场垂直穿过图2这层的传感线圈时，5与6两螺旋线圈产生的感应电动势大小相等、方向相反，串接从而相互抵消，7与8产生的感应电动势也会同样相互抵消。外界干扰磁场水平穿过上述的传感线圈时，传感线圈无感应。
图4中，15、16、17均为以上所述的PCB电流传感器附近的导体，并可通过大电流。当导体15中通以交流电流时，相对传感器产生干扰的交变磁场，而螺旋线圈5与6因该干扰磁场产生的感应电动势大小相等、方向相反，串接相互抵消，同样7与8由此产生的感应电动势也会相互抵消。当导体16中通以交流电流时，产生干扰磁场，小线圈5与7因该干扰磁场产生的感应电动势大小相等、方向相反，串接相互抵消，同样6与8由此产生的感应电动势也会相互抵消。当导体17中通以交流电流时，产生干扰磁场，5与8因该干扰磁场产生的感应电动势方向相同，6与7因该干扰磁场产生的感应电动势方向相同，而5、8与6、7因该干扰磁场产生的感应电动势方向相反，又直导线17中电流产生的是一个线形梯度磁场，那么5、8因该干扰磁场产生的感应电动势之和与6、7因该干扰磁场产生的感应电动势之和大小相等，方向相反，最终串接相互抵消。同样，9、10、11、12螺旋线圈因附近电流干扰产生的感应电动势也会完全抵消。
因此，以上所述的PCB空心线圈电流传感器对外界电磁干扰无响应。
图3显示了以上所述的PCB电流传感器测量原导体中电流的原理图。14为原导体(通过被测电流)，18为被测电流的进出口。其中原导体一般用一定厚度和宽度的铜材制作成如图所示的环形，镶嵌在PCB上。原导体也可以直接由较宽的印制线制作在PCB上。PCB上下都可布置原导体，且原导体的环形有多样，14仅为其中优选的一种；PCB还可制作成多层板，增加传感线圈的总匝数。当原导体中通过被测交流电流时，PCB该层(上层)的所有螺旋线圈(9、10、11、12)产生的感应电动势方向相同，同样PCB底层的螺旋线圈(5、6、7、8)产生的感应电动势方向也相同，且以上两层中所有的螺旋线圈产生的感应电动势方向都相同，串接相互叠加，通过传感线圈输出端13输出一个与被测电流相对应的电压信号。
图5中31为PCB空心线圈电流传感器原导体，32为其二次线圈，整个传感线圈的俯视图基本成圆形。
图6中，41、42分别为PCB电流传感器的一次线圈和二次线圈。一次线圈41印制在PCB的第一层上，二次线圈42印制在PCB的第二层上。PCB的第三层上印制类似图2中的螺旋线圈作为一次线圈，并通过过孔34、36、37、39与PCB第一层上的一次线圈连接。PCB的第四层上印制类似图2中的螺旋线圈作为二次线圈，并通过过孔33、35、38、40与PCB第二层上的二次线圈连接。一次螺旋线圈与二次螺旋线圈也可以印制在PCB的相同层上。依照这种方法，一次线圈和二次线圈都不会受到外界电磁干扰的影响，还可以增加更多的层，或串接多块PCB，增加其互感系数。
权利要求
1.一种PCB型空心线圈电流传感器，其特征在于设有一层或多层PCB电路板，每层PCB板上设有4以上的偶数个相同的平面螺旋线圈，每块PCB板上的螺旋线圈对称分布，每层相邻的螺旋线圈依次串接，层与层之间的螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为输出端，构成二次线圈；一次线圈紧绕每层半数彼此不相邻的螺旋线圈构成一匝或多匝环路。
2.根据权利要求1所述的PCB型空心线圈电流传感器，其特征在于所述二次螺旋线圈为大小均匀逐增的矩形、圆形、1/4圆形和三角形中的任一种，且层与层之间相应的二次螺旋线圈共轴。
3.根据权利要求1所述的PCB型空心线圈电流传感器，其特征在于所述一次线圈围绕每层PCB上半数彼此不相邻的螺旋线圈直接印制于PCB上或另用导电体镶嵌在PCB上。
4.一种PCB型空心线圈电流传感器，其特征在于设有一层或多层PCB电路板，PCB板部分层或所有层上分别设有4以上的偶数个相同的平面螺旋线圈，每层PCB板上的螺旋线圈对称分布，每层相邻的螺旋线圈依次串接，层与层上的螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为输出端，构成二次线圈；围绕每个二次螺旋线圈嵌套制作与其形状相同的一次螺旋线圈，每层相邻的一次螺旋线圈依次串接构成一次线圈，层与层之间的一次螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为被测电流输入端。
5.根据权利要求4所述的PCB型空心线圈电流传感器，其特征在于所述一次螺旋线圈、二次螺旋线圈均为大小均匀逐增的矩形、圆形、1/4圆形和三角形中的任一种，且层与层之间相应的二次螺旋线圈共轴。
6.根据权利要求4所述的PCB型空心线圈电流传感器，其特征在于所述一次线圈围绕每个二次螺旋线圈直接印制于PCB上。
7.根据权利要求4所述的PCB型空心线圈电流传感器，其特征在于PCB所有层上相应的一次螺旋线圈和二次螺旋线圈共轴。
全文摘要
本发明公开一种PCB型空心线圈电流传感器，设有一层或多层PCB电路板，每层PCB板上设有4以上的偶数个相同的平面螺旋线圈，每块PCB板上的螺旋线圈对称分布，每层相邻的螺旋线圈依次串接，层与层之间的螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为输出端，构成二次线圈；一次线圈紧绕每层半数彼此不相邻的螺旋线圈构成一匝或多匝环路。本发明能避免外界电磁的干扰，同时二次线圈能灵敏地响应一次线圈中的电流，产生与被测电流变化率成正比的电压信号，有很好的线性度、检测精度和强的抗电磁干扰能力，适合电子式电能表和微机保护、测量装置中用作电流传感器。
文档编号H01F38/28GK1967267SQ20061003248
公开日2007年5月23日 申请日期2006年10月29日 优先权日2006年10月29日
发明者周有庆, 龚伟, 吴桂清, 彭红海 申请人:长沙同庆电气信息有限公司