一种闭环电流传感器的制作方法

本实用新型涉及电流传感器技术领域，具体涉及一种闭环电流传感器。

背景技术：

电流传感器广泛应用于新能源、智能交通、工业控制、智能家电以及智能电网等领域。常用的电流传感器分为开环式和闭环式两大类。开环式电流传感器是在被测导线周围设置一个带气隙的磁芯，磁性传感单元位于气隙中，由于电磁感应定律，磁芯产生感生电势，磁性传感单元可测量磁芯气隙处的磁场，后端可根据磁性传感单元的输出信号计算出被测电流的大小。开环式电流传感的工作方式为直接测量磁场，因此在大电流作用下，磁芯的会出现磁滞和饱和，影响测量精度。

为了克服上述问题，本领域技术人员采用闭环式电流传感器测量电流。和开环式电流传感器不同的是，闭环式电流传感器的磁芯上缠绕有补偿线圈，补偿线圈和磁性传感单元电连接，补偿线圈由磁性传感单元的输出电压供电，用以补偿被测电流产生的磁场，当达到磁平衡时，补偿电流产生的磁场和被测电流产生的磁场大致相同，因此磁芯通常工作在无磁通或磁通量很小的环境下，可以克服磁滞和饱和现象。后端可通过直接测量补偿线圈的电流大小计算出被测电流大小。

如图1所示，中国专利文献(CN 203259575 U)公开了一种闭环电流传感器，包括设有开口的聚磁环，待测电流流经的导线和补偿线圈分别绕制在聚磁环上，通过设置在聚磁环开口处的霍尔元件检测聚磁环内的磁场，当检测到有磁场时，控制产生补偿电流流经补偿线圈进而在聚磁环内产生与待测电流相反的磁场。

然而，一方面，上述闭环电流传感器中的聚磁环往往尺寸较大，使得闭环电流传感器的体积较大、重量较重；另一方面，作为磁芯的聚磁环的价格往往较高，使得闭环电流传感器的制作成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种闭环电流传感器，以解决现有闭环电流传感器体积较大、重量较重、制作成本较高的问题。

本实用新型实施例提供了一种闭环电流传感器，包括：至少一个补偿线圈，设置在待测电流所流经导线的预定位置处，用于产生与所述待测电流的磁场相反的补偿磁场；至少一个磁传感芯片，每个磁传感芯片设置在一个所述补偿线圈的腔管内，用于测量所述待测电流的磁场和所述补偿磁场的叠加磁场的强度；控制模块，用于根据所述磁传感芯片的输出信号输出预定大小的电流；所述控制模块的输入端与所述磁传感芯片的输出端连接，输出端与所述补偿线圈的一端连接；IV转换模块，其输入端与所述补偿线圈的另一端连接，其输出端作为所述闭环电流传感器的输出端；所述IV转换模块将所述补偿线圈的电流信号转换为电压信号。

可选地，所述至少一个补偿线圈包括至少两个补偿线圈，每个补偿线圈的腔管内设置一个磁传感芯片。

可选地，所述至少两个补偿线圈内腔中的磁传感芯片相对于所述待测电流所流经导线对称设置。

可选地，所述控制模块包括VI转换单元；所述VI转换单元包括：第一运算放大单元，其两个输入端分别与两个所述磁传感芯片的输出端连接，输出端与所述补偿线圈连接。

可选地，所述两个补偿线圈串联，串联后的一端与所述控制模块的输出端连接，串联后的另一端与所述IV转换模块的输入端连接。

可选地，所述IV转换模块包括：第二运算放大器，其第一输入端与所述补偿线圈的另一端连接，第二输入端连接参考电压，并且第一输入端与输出端之间连接有电阻。

可选地，所述磁传感芯片包括：第一串联支路，包括串联的第一磁电阻和第二磁电阻；第二串联支路，包括串联的第三磁电阻和第四磁电阻；所述第一串联支路与所述第二串联支路并联设置，并联后的两端连接电源；所述磁传感芯片还包括：第三运算放大单元，其第一输入端连接至所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间，其第二输入端连接至所述第三磁电阻和所述第四磁电阻之间；所述第三运算放大单元对两个输入端信号的差值进行放大。

可选地，所述第一磁电阻的一端与所述第三磁电阻的一端连接，所述第二磁电阻的一端与所述第四磁电阻的一端连接；所述第一磁电阻、所述第二磁电阻、所述第三磁电阻和所述第四磁电阻的初始阻值及磁敏感度均相等；并且，所述第一磁电阻与所述第四磁电阻的磁敏感方向相同，所述第二磁电阻与所述第三磁电阻的磁敏感方向相同。

可选地，所述闭环电流传感器还包括印制电路板，所述控制模块和/或所述IV转换模块设置于所述印制电路板上。

可选地，所述补偿线圈通过支架竖直固定在所述印制电路板平面上。

本实用新型实施例所提供的闭环电流传感器，将补偿线圈设置在待测电流所流经导线的预定位置处，并在补偿线圈的腔管内设置磁传感芯片，控制模块根据磁传感芯片的输出信号输出预定大小的电流控制补偿线圈产生与待测电流的磁场相反的补偿磁场，从而减小磁传感芯片所测得的叠加磁场，由此形成一个闭环结构。由于补偿线圈的腔管内的磁场强度较为均匀，因此该闭环电流传感器的磁传感芯片能够在缺少磁芯的情形下较为准确地测量叠加磁场的强度。不采用磁芯的闭环电流传感器体积相对较小、重量较轻、制作成本低。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1示出了现有技术中闭环电流传感器的示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的一种闭环电流传感器的示意图；

图3示出了待测电流所流经导线的预定位置的俯视示意图；

图4示出了待测电流所流经导线的预定位置的主视图；

图5示出了根据本实用新型实施例的另一种闭环电流传感器的示意图；

图6示出了根据本实用新型实施例的控制器的连接示意图；

图7示出了一个磁传感芯片的示意图；

图8示出了另一个磁传感芯片的示意图；

图9示出了本实用新型实施例的闭环电流传感器的完整结构前视图；

图10分别示出了本实用新型实施例的闭环电流传感器的完整结构俯视图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

图2示出了根据本实用新型实施例的一种闭环电流传感器的示意图。如图2所示，该闭环电流传感器包括至少一个补偿线圈10、至少一个磁传感芯片20、控制模块30和IV转换模块40。图2中左侧的“×”表示待测电流所流经导线与纸面垂直，并且电流流向为穿入纸面的方向。

补偿线圈10设置在待测电流所流经导线的预定位置处，用于产生与待测电流的磁场相反的补偿磁场。该“预定位置”是指相对于待测电流所流经导线的距离及方位，图3和图4给出了几种预定位置的情形。图3中的圆点表示待测电流所流经导线与纸面垂直，并且电流流向为穿出纸面的方向，图3和图4中的虚线表示待测电流的磁场。补偿线圈可以设置于图3和图4中的菱形、五边形或五角星所示的任意一个或多个位置。

每个磁传感芯片20设置在一个补偿线圈10的腔管内，用于测量待测电流的磁场和补偿磁场的叠加磁场的强度。如图2所示，一个补偿线圈中可以设置一个或多个磁传感芯片20。

控制模块30用于根据磁传感芯片20的输出信号输出预定大小的电流。控制模块30的输入端与磁传感芯片20的输出端连接，控制模块30的输出端与补偿线圈10的一端连接。

IV转换模块40的输入端与补偿线圈10的另一端连接，IV转换模块40的输出端作为该闭环电流传感器的输出端。IV转换模块将补偿线圈10的电流信号转换为电压信号。

当补偿线圈的位置为一个以上时，这些补偿线圈可以是分别与控制模块连接；或者也可以是这些补偿线圈串联，串联后再与控制模块连接。

控制模块30可以包括微处理器、电源和可控开关，微处理器接收磁传感器芯片20的输出信号对其处理，然后输出控制信号控制可控开关实现对补偿线圈10中电流值大小的调整；或者控制模块30也可以为VI转换单元，将磁传感器20的输出电压转换成电流信号输入补偿线圈。

上述闭环电流传感器，将补偿线圈设置在待测电流所流经导线的预定位置处，并在补偿线圈的腔管内设置磁传感芯片，控制模块根据磁传感芯片的输出信号输出预定大小的电流控制补偿线圈产生与待测电流的磁场相反的补偿磁场，该闭环结构能够使得叠加磁场保持为零。由于补偿线圈的腔管内补偿磁场的强度较为均匀，因此该闭环电流传感器的磁传感芯片能够在缺少磁芯的情形下较为准确地测量叠加磁场的强度。不采用磁芯的闭环电流传感器体积相对较小、重量较轻、制作成本低。

实施例二

图5示出了根据本实用新型实施例的另一种闭环电流传感器的示意图。如图5所示，与实施例一的区别在于，该闭环电流传感器包括至少两个补偿线圈11和12，两个磁传感芯片21和22，控制模块30，以及IV转换模块40。

磁传感芯片21设置于补偿线圈11的腔管内，磁传感芯片22设置于补偿线圈12的腔管内。待测电流所流经导线设置于两个补偿线圈21和22之间。

图5中的“×”表示待测电流所流经导线与纸面垂直，并且电流流向为穿入纸面的方向，B_I1和B_I2表示待测电流的磁场，B_C1和B_C2表示补偿线圈的磁场。由于在图5中补偿线圈11和12的位置处，待测电流所流经导线的磁场方向是相反的，因此补偿线圈11和12的绕线方向及连接方式需保证通以电流时补偿线圈11和12所产生的磁场方向也是相反的，以便能够抵消待测电流的磁场。需要补充说明的是，本申请中补偿线圈的绕线方式及连接方式并不限于图5中所示。

进一步地，控制模块30包括VI转换单元。如图6所示，VI转换单元可以为第一运算放大单元31，第一运算放大单元31的两个输入端分别与两个磁传感芯片21和22的输出端连接，输出端与补偿线圈连接。VI转换单元将两个磁传感芯片21和22输出的电压信号转成电流信号输入补偿线圈。

更进一步地，补偿线圈11内腔中的磁传感芯片21和补偿线圈12中的磁传感芯片22相对于待测电流所流经导线对称设置。本实用新型实施例中，对称设置的磁传感芯片具有共模抑制的作用，原理如下；由于磁传感器21和22所处位置处的待测电流所流经导线的磁场方向是相反的，待测电流磁场与补偿磁场的叠加磁场若不为零，则该叠加磁场的方向也应当是相反的。在测量时的动态变化过程中，假设在某一时刻磁传感芯片21和22所输出的信号分别为A和B，则二者之差为A-B。当实际测量环境中存在电磁干扰时，通常磁传感芯片21和22位置处的干扰磁场的方向相同时，也即该电磁干扰为共模干扰信号。由于磁传感芯片21和22的位置对称、结构相同，因而共模干扰信号使磁传感芯片21和22输出值所产生的变化量是相同的，假设该变化量为C，则磁传感芯片21和22的输出信号则分别为A+C和B+C，二者之差依然为A-B。由此可见，共模干扰信号不会影响第一运算放大单元31的输出结果，也即上述闭环电流传感器具有共模抑制的作用。

作为本实施例的一种可选实施方式，两个补偿线圈11和12串联，串联后的一端与控制模块30的输出端连接。

IV转换芯片40的输入端与补偿线圈11和12串联后的另一端连接，IV转换芯片40的输出端作为闭环电流传感器的输出端。IV转换模块将补偿线圈的电流信号转换为电压信号。

可选地，如图6所示，IV转换模块40包括第二运算放大器，第二运算放大器的第一输入端与补偿线圈11和12串联后的另一端连接，第二运算放大器的第二输入端连接参考电压，并且第二运算放大器的第一输入端与输出端之间连接有电阻。

作为本实施例的一种可选实施方式，磁传感芯片20包括第一串联支路和第二串联支路。其中，第一串联支路包括串联的第一磁电阻和第二磁电阻；第二串联支路包括串联的第三磁电阻和第四磁电阻。第一串联支路与第二串联支路并联设置，并联后的两端连接电源。此外，磁传感芯片20还包括第三运算放大单元，其第一输入端连接至第一磁电阻和第二磁电阻之间，其第二输入端连接至第三磁电阻和第四磁电阻之间；第三运算放大单元对两个输入端信号的差值进行放大。

如图7所示，磁传感芯片21包括串联的第一磁电阻R₁₁和第二磁电阻R₁₂，串联的第三磁电阻R₁₃和第四磁电阻R₁₄，串联后的两个支路并联，并联后的两端连接电源。磁传感芯片21还包括第三运算放大器15，其第一输入端连接在第一磁电阻R₁₁和第二磁电阻R₁₂之间，第二输入端连接在第三磁电阻R₁₃和第四磁电阻R₁₄之间。磁传感芯片22的结构与磁传感芯片21的结构类似，如图8所示，在此不再赘述。

磁传感芯片中的四个磁电阻中，可以是对角设置的两个磁电阻为普通电阻，另外两个磁电阻为初始值和/或磁敏感度均相等的磁电阻。当待测电流的磁场与补偿线圈的磁场的叠加磁场为零时，磁电阻的串并联结构所输出的信号值为0，或者恒定值(有共模干扰的情况)；当叠加磁场增加一个单位时，磁电阻的串并联结构所输出信号值增加不止一个单位，因此磁传感芯片采用上述磁电阻串并联的结构能够提高测量的准确性和磁传感芯片的敏感性。

进一步地，第一磁电阻的一端与第三磁电阻的一端连接，第二磁电阻的一端与第四磁电阻的一端连接。第一磁电阻、第二磁电阻、第三磁电阻和第四磁电阻的初始阻值及磁敏感度均相等，并且，第一磁电阻与第四磁电阻的磁敏感方向相同，第二磁电阻与第三磁电阻的磁敏感方向相同。该设计能够在上述磁电阻串并联结构的基础上进一步提高测量的准确性和磁传感芯片的敏感性。

此处的“磁敏感方向相同”是指在同一方向的磁场下，磁电阻的电阻值均增大或均减小；“磁敏感方向相反”是指在同一方向的磁场下，一个磁电阻的电阻值增大，另一个磁电阻的电阻值减小。此处的“磁敏感度”是指当所处的磁场变化一个单位时，磁电阻的电阻值的变化量。

如图7所示，在磁传感芯片21中，第一磁电阻R₁₁、第二磁电阻R₁₂、第三磁电阻R₁₃和第四磁电阻R₁₄的初始阻值及磁敏感度均相等，并且，第一磁电阻R₁₁与第四磁电阻R₁₄的磁敏感方向相同，第二磁电阻R₁₂与第三磁电阻R₁₃的磁敏感方向相同。磁传感芯片22的情形与磁传感芯片21类似，在此不再赘述。

图9和图10分别示出了本实用新型实施例的闭环电流传感器的完整结构前视图和俯视图，其中50为印制电路板，控制模块30和/或IV转换模块40设置于该印制电路板上。补偿线圈绕制在支架上，支架竖直固定在该印制电路板上。由于线圈绕制在支架的外部，因此散热性好。

此外，61和62表示该闭环电流传感器的外壳示意图，该外壳为环形，61表示内环壁，62表示外环壁。测量时，待测电流所流经导线穿过内环孔。

70为设置于印制电路板50上的引号插针，插针70穿过外壳上的通孔外露，以便于将闭环电流传感器的测量信号引出。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ROM)或随机存储记忆体(RAM)等。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。