专利名称：点阵式霍尔电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用霍尔效应原理的点阵式霍尔电流互感器，用于测 量交力t电5危或者直伊b电;危。
背景技术：
霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传
感单元，通过^c测电流产生的》兹场的大小来实现对电流的测量。霍尔元件
又被称作霍尔片，因为它是一种半导体薄片。作为一种技术成熟且应用广
泛的》兹场;险测元件，霍尔元件是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势 为基础的。开环型霍尔电流传感器以铁磁材料作为导磁体，而将霍尔元件 放置在导磁体的气隙中，很明显，铁磁部分磁阻远远小于气隙的磁阻，在 一定范围内，气隙中的磁感应强度与被测电流保持稳定的线性关系，测量 气隙内的磁感应强度，结合气隙铁芯的传感系数即可获得被测电流的大小。 采用铁磁材料的主要作用有二 1、 铁磁材料可有效屏蔽外界磁场，消除 外界电流或^f兹场对开环型电流传感器的影响，从而橫_得传感器的总霍尔电 势对外界磁场或电流的感应为零。2、起到聚磁的作用，增强被测电流产生 的磁感应强度。开环型霍尔电流传感器往往精度不高， 一般可达10-2级，被 测电流与互感器额定电流相比较小时，测量误差会急剧增加，其主要原因 是由于铁磁材料存在磁滞和损耗，当被测电流在较大范围内变化时，气 隙中的磁感应强度与电流之间的线性关系会发生一定变化，特别是较小电 流时，这种偏差尤为明显。
闭环型霍尔电流传感器沿用了比较仪的零i兹通原理，在开环型霍尔电 流传感器的基础上进行了 一系列改进，首先是在带气隙的铁^f兹材料上均匀 布置一个平衡绕组，其次霍尔元件不再用以直接检测电流的大小，而作为 一个剩余磁通检测单元，霍尔元件的输出霍尔电势控制驱动一定大小的电 流通过平衡绕组。稳态下，平衡绕组与被测电流保持良好的线性关系，比 例系数为平衡绕组的绕线匝数与被测电流绕线匝数的比值，通过检测平衡 绕组中的电流大小即可得到被测电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠， 准确度可高达10-3级甚至更高，但是，平衡电路的驱动能力有限，制作大电 流闭环霍尔电流传感器是比较困难且十分昂贵的。
开环型霍尔电流传感器由于气隙铁芯的非线性，准确度不高，动态范 围小，响应速度慢；闭环型霍尔电流传感器准确度有所提高，但是获得较大的补偿电流比较困难且十分不经济，不太适合于大电流测量。
发明内容
本发明提供一种新型的点阵式霍尔电流传感器，它完全克服了传统的 霍尔电流传感器的缺陷，传统的霍尔电流传感器的主要缺点都与铁芯有关， 这种新型的点阵式霍尔电流传感器从根本上排除铁芯的存在，从而克服了 铁^兹材料给霍尔电流传感器带来的诸如线性度变差、动态范围小、体积重 量增加、成本过高等方面的缺陷。
点阵式霍尔电流传感器，包括一个由N个霍尔元件组成的阵列、印刷 电路板、增益调整电路和输出累加电路，其特征在于采用一次载流导线为 长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电 路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过路径的中心轴，增益调整电路及输 出累加电路也分布于印刷电路板上，增益调整电路由N个放大电路组成， 放大电路由N个运算放大器，若干个电阻组成，每个运算放大器分别与电 阻连接成与霍尔元件一一对应的放大电路，且放大电路采用现有的放大电 路，每个放大电路与霍尔元件——对应的连接，然后再通过l个运算放大 器和若干个电阻构成的输出累加电路将各放大电路的输出直接相累加后作
为该点阵式霍尔电流传感器的输出，N为大于零的自然数。
若点阵式霍尔电流传感器使用在邻相电流比较近或者外界干扰磁场比 较强烈和复杂的场合，将N个霍尔元件组成的阵列放于一个圓筒形的屏蔽 筒中，N为大于零的自然数。
N个霍尔元件均匀对称的分布在一定大小闭合路径的印刷电路板上， 且每个霍尔元件所在平面穿过闭合路径的中心轴，N为大于零的自然数。
将N个霍尔元件均匀对称的分布在一定大小圆周的印刷电路板上，且 每个霍尔元件所在平面穿过圓周的中心轴，N为大于零的自然数。
将N个霍尔元件分布在一个非闭合路径的印刷电路板上，N为大于零 的自然数，根据全电流定律可知N个霍尔元件应该分布在一个闭合路径的 印刷电路板中，实际上如果不是一个闭合路径也能取得一定精度的测量结 果，可以应用在精度要求不是很高的场合下。
点阵式霍尔电流传感器主要由霍尔元件阵列和增益调整电路及输出累 加电路组成，点阵式霍尔电流传感器没有使用铁磁材料，依据的是一次载 流导线为长直导线的磁场分布模型，当采用的霍尔元件数量足够多，所有 霍尔元件均勻对称的分布在一定大小的圆周上，且单个霍尔元件所在平面 穿过该圆周的中心轴时，才艮据安培定律，构造的点阵式霍尔电流传感器的 测量结果与载流导线的形状和位置无关，且在该点阵式霍尔电流传感器外部的任何电流或》兹场在该传感器上的响应为零。因此，本发明从技术效果 来说，具有和含有铁芯的霍尔电流传感器同样的抗外界》兹场干扰的效果， 同时还具有线性度好，动态范围宽，体积小，重量轻等含有铁芯的霍尔电 流传感器不具备的优点。
本发明的点阵式霍尔电流传感器基本原理如下
理想的点阵式霍尔电流传感器需要满足的四条基本假设是使用的霍 尔元件数量足够多；霍尔元件在一定大小的圆周上对称均匀分布；霍尔元 件的》兹^i:感特性一致；霍尔元件构成的圆周的中心轴在所有的霍尔元件的 磁敏感薄膜所在平面上。
以采用十六个霍尔元件均匀对称的呈圓形分布在载流导线的周围为 例，如图1所示，即为点阵式霍尔电流传感器的基本模型。第i个霍尔元 件所在点的磁感应强度记作5,.，由霍尔效应，可得
S =《賊
由假设条件可以得到所有霍尔元件的霍尔电势相等，总的霍尔电势之 和为
<formula>formula see original document page 5</formula>
点阵式霍尔电流传感器的总霍尔电势与被测电流之间的比例系数为
r, r与真空中的磁导率;v霍尔元件个数N、单个霍尔元件的传感系数 K、霍尔元件至载流导线中心轴的距离r等因素有关，通过已知的参数可以 容易的求解传感器的传感系数f，点阵式霍尔电流传感器通过测量总霍尔 电势即可得到被测电流的准确值。
测得每个霍尔元件的霍尔系数《，通过修正系数将其修正为统一的霍 尔系数K。图3是采用的增益调整电路和输出累加电路模型，当满足下式 时，将处理后的信号通过运算放大器构成的输出累加电路将各放大电路的 输出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出，即可得到归一化 后的总霍尔电势，该调整电路有效的消除了单个霍尔元件的霍尔系数之间 的差异。
<formula>formula see original document page 5</formula>
本发明所述点阵式霍尔电流传感器
1、该新型的点阵式霍尔电流传感器彻底排除了4失》兹材料，当采用的霍尔元件数量足够多，所有霍尔元件均匀对称的分布在一定大小的圆周上， 且单个霍尔元件所在平面穿过该圆周的中心轴时，才艮据安培定律，构造的
点阵式霍尔电流传感器的测量结果与载流导线的形状和位置无关，且在该 点阵式霍尔电流传感器外部的任何电流或;兹场在该传感器上的响应为零， 即该电流传感器模型具有很强的抗外界干扰的能力。
2 、该新型点阵式霍尔电流传感器采用印刷电路板技术解决多个霍尔元 件均勻对称分布的问题，即能保证霍尔元件构成的圆周的中心轴在所有的 霍尔元件的;兹l丈感薄膜所在平面上。
3、 该新型点阵式霍尔电流传感器采用增益调整电路解决多个霍尔元件 的霍尔系数不同的问题，保证了霍尔元件的^兹敏感特性一致。通过1个运 算放大器构成的输出累加电路将增益调整后的各放大电路的输出直接相累 加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出，即可得到归一化后的总霍尔电 势。
4、 该新型点阵式霍尔电流传感器采用了基于印刷电路板的元件布置方 法和增益调整电路的补偿措施，基于PCB的霍尔元件布置技术和增益调整 技术是点阵式霍尔电流传感模型实现的两个最主要的关键技术。
5、 根据全电流定律可知N个霍尔元件应该分布在一个闭合路径的印刷 电路板中，实际上如果不是一个闭合路径也能取得一定精度的测量结果， 可以应用在精度要求不是很高的场合下。
本发明的点阵式霍尔电流传感器没有使用铁磁材料，依据的是一次载 流导线为长直导线的磁场分布模型，当采用的霍尔元件数量足够多，采用 PCB板将所有霍尔元件均匀对称的分布在闭合路径上，且单个霍尔元件所 在平面穿过闭合路径的中心轴时，根据安培定律，构造的点阵式霍尔电流 传感器的测量结果与载流导线的形状和位置无关，且在该点阵式霍尔电流 传感器外部的任何电流或》兹场在该传感器上的响应为零。而采用增益调整 电路解决多个霍尔元件的霍尔系数不同的问题，解决了霍尔元件的磁敏感 特性一致性的问题。这样就满足了理想点阵式霍尔电流传感器的四个条件。
图l是本发明的原理图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明的增益调整电路和输出累加电路原理图。
具体实施方式
本发明摒弃了传统的铁心结构，依据一次载流导线为长直导线的磁场 分布;^莫型，构造了理想的点阵式霍尔电流传感器。该理想的点阵式霍尔电流传感器需要满足的四条基本假设是使用的霍尔元件数量足够多；霍尔 元件在闭合路径上对称均匀分布；霍尔元件的i兹敏感特性一致；霍尔元件 构成的闭合路径的中心轴在所有的霍尔元件的;兹敏感薄膜所在平面上。
本发明依据一次载流导线为长直导线的^t场分布冲莫型，当霍尔元件数 量足够多，采用PCB板将所有霍尔元件均勻对称的分布在一定大小的圓周 上，且单个霍尔元件所在平面穿过该圆周的中心轴时，根据安培定律，构 造的点阵式霍尔电流传感器的测量结果与载流导线的形状和位置无关，且 在该点阵式霍尔电流传感器外部的H阿电流或^磁场在该传感器上的响应为 零。而采用增益调整电路解决多个霍尔元件的霍尔系数不同的问题，解决 了霍尔元件的磁敏感特性一致性的问题。因此本发明采取的技术手段满足 了理想点阵式霍尔电流传感器的四个条件。
以额定电流3kA的十六点霍尔元件电流传感器为例，具体步骤为
1、 确定霍尔元件分布圆周的尺寸。点阵式霍尔电流传感器的应用对象 是较大幅值、较低频率电流的测量，选用的霍尔元件应该有较小的尺寸、 较大的动态范围、良好的线性度、理想的温度稳定性能、低廉的价格。
综合考虑额定电流和选用的霍尔器件的特性，基本确定霍尔元件分布 圆周尺寸的公式如下
咖_ 2《
其中，i ^为圆周的最小半径，^为额定电流，^_为霍尔元件线性 区域的最大磁感应强度。上式提供了确定圆周尺寸的大致准则，为了保证 点阵式霍尔电流传感器测量的准确度，霍尔元件的圓周尺寸必须考虑一定 的余量， 一般取实际半径为2&,n，这样即使载流导线的偏移引起个别霍尔 元件所处位置磁感应强度大于平均值，亦或邻相电流等外界干扰电流产生 的磁场增加了个别霍尔元件处的磁感应强度，都不至于因为个别霍尔元件 因为处在非线性区域而影响了整个传感阵列的测量准确度。
值得注意的是，当点阵式霍尔电流传感器使用在邻相电流比较近或者 外界干扰^f兹场比较强烈和复杂的场合时，将整个传感阵列处于一个圆筒形 的屏蔽中是十分必要的。
2、 设计增益调整电路。增益调整电路的作用是测得每个霍尔元件的实
际霍尔系数，利用加权的方法采用增益电路对所有霍尔元件的霍尔电势进 行归一化处理。增益调整电路特征在于确定每个霍尔元件对应霍尔电势的 力口4又系凄t。
3、 确定参数，消除零点电势。标准磁场由一个带一定绕组的开口铁芯产生，铁芯的开口为2mm,霍尔元件恰能放入且位置固定，绕组上通以幅 值1A工作频率50Hz的电流。之所以选用工作频率50Hz的交流电流产生的 磁场，是为了排除霍尔元件零点电势的影响，作为半导体器件，当霍尔元 件在一定电压或电流激励下，所处的磁感应强度为零时，输出霍尔电势往 往并不为零，这个基本稳定幅值约数mV的信号被称为零点电势，消除零点 电势是准确测量霍尔系数的基本保障。逐个将霍尔元件放置在铁芯的气隙 中，霍尔元件上的激励电压保持不变，测量每个霍尔元件的霍尔电势中5 OHz 的分量，记录下绝对值，将这些绝对值进行比较即可得到增益调整电路的 相对加权系数，通过计算的系数来确定图3中^ -/ 16的值，确定电阻值的 依据是在相同》兹感应强度的作用下，所有霍尔元件的输出霍尔电势经增 益调整后的大小相等。
4、运算放大器构成的输出累加电路将上述各增益调整后的放大电路输 出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出。
以上是以十六个霍尔元件构成的圆周点阵式霍尔电流传感器为例说明 的，如果霍尔元件不是构成一个圆周而是构成一个长为a，宽为b的矩形， 且。26，则具体实施方式
除了第一步确定尺寸和圆型不同，设计增益调整电 路、确定参数和运算放大器构成的输出累加电路都与圓型相同。具体实施 方式》p下
其中，z:为额定电流，3_为霍尔元件线性区域的最大磁感应强度， i ^为最大磁感应强度的圆周的最小半径，为了保证每个霍尔元件都能处于 线性区域而又获得最大磁感应强度，考虑到余量，可取b:4i ^。
本发明的结构主要由两部分组成霍尔元件阵列1、增益调整电路和 输出累加电路2。以十六个霍尔元件的点阵式霍尔电流传感器为例，主要 由十六个霍尔元件、 一块印刷电路板3、 17个运算放大器，81个电阻组成， 一次载流导线4从霍尔元件阵列1中心穿过，印刷电路板3为霍尔元件实 行了精确的定位，同时为霍尔元件、运算放大器和电阻提供了牢固可靠的 支撑，印刷电路板上装有一个稳压管为霍尔元件提供稳定的直流电压激励， 由运算放大器构成的增益调整电路实现了增益调整和校准的双重功效。该 霍尔电流传感器需要外界提供直流电源以使得霍尔元件和增益调整电路正 常工作。
若点阵式霍尔电流传感器使用在邻相电流比较近或者外界干扰磁场比 较强烈和复杂的场合，将整个霍尔元件阵列放于一个圓筒形的屏蔽筒5中。
权利要求1、点阵式霍尔电流传感器，包括一个由N个霍尔元件组成的阵列、印刷电路板、增益调整电路和输出累加电路，其特征在于采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件磁敏感薄膜所在平面穿过路径的中心轴，增益调整电路和输出累加电路也分布印刷电路板上，增益调整电路由N个放大电路组成，N个放大电路由N个运算放大器，若干个电阻组成，每个运算放大器分别与电阻连接成与霍尔元件一一对应的放大电路，每个放大电路与霍尔元件一一对应的连接，再采用1个运算放大器和若干个电阻构成的输出累加电路将各放大电路的输出直接相累加后作为该点阵式霍尔电流传感器的输出，N为大于零的自然数。
2、 根据权利要求l所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于将N个 霍尔元件组成的阵列放于一个圓筒形的屏蔽筒中，N为大于零的自然数。
3、 根据权利要求1或2所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于N 个霍尔元件均勻对称的分布在一定大小闭合路径的印刷电路板上，且每个 霍尔元件所在平面穿过闭合路径的中心轴，N为大于零的自然数。
4、 根据权利要求3所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于将N个 霍尔元件均匀对称的分布在一定大小圆周的印刷电路板上，且每个霍尔元 件所在平面穿过圓周的中心轴，N为大于零的自然数。
5、 根据权利要求1或2所述点阵式霍尔电流传感器，其特征在于将 N个霍尔元件分布在一个非闭合路径的印刷电路板上，N为大于零的自然 数。
专利摘要本实用新型涉及点阵式霍尔电流传感器，包括一个由N个霍尔元件组成的阵列、印刷电路板、增益调整电路和输出累加电路，采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面穿过路径的中心轴，增益调整电路也分布印刷电路板上确定每个霍尔元件对应霍尔电势的加权系数，并且将处理后的信号经输出累加电路直接相加，得到归一化后的总霍尔电势，N为大于零的自然数。本实用新型克服了铁磁材料给霍尔电流传感器带来的诸如线性度变差、动态范围小、体积重量增加、成本过高等方面的缺陷。
文档编号G01R33/07GK201152886SQ20082006543
公开日2008年11月19日 申请日期2008年1月24日 优先权日2008年1月24日
发明者窦峭奇 申请人:武汉格蓝若光电互感器有限公司