一种电流传感器的制作方法

1.本发明实施例涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种电流传感器。


背景技术：

2.长期以来，电流传感器在电力系统、风电、光伏、变频器、轨道交通、工业控制等行业一直是一项普遍且重要的需求，并且随着人工智能及智慧物联网的蓬勃发展，对电流传感器要求将进一步提升，小型化、集成化、频响高、响应快是电流传感器未来的发展方向。
3.目前，常用于电流测量的分流器、电流互感器、霍尔电流传感器和磁通门电流传感器等，是通过不同的方式探测待测导体产生的电场或者磁场变化，以此实现电流检测。专利申请cn200410069833.x公布了一种开环电流传感器的制作方法，其工作原理是通过置于铁芯气隙中的磁场检测器探测待测导体产生的磁场变化从而实现电流的检测。但该方案存在如下缺陷：由于铁芯尺寸较大，导致整个电流传感器尺寸也比较大；成本较高；高频特性差，铁芯在高频分量下容易产生涡流，存在安全隐患。专利申请201210409149.6公布了一种电流传感器，该电流传感器包括磁电阻集成芯片、运算放大器、电阻、印刷线路板和u型的待测电流导线，通过一个全桥结构的磁电阻集成芯片检测u型待测电流导线产生的差分磁场从而实现电流的检测。但是上述电流传感器存在如下缺陷：需要设置多个软磁层及补偿导线层，工艺复杂且要求比较高；抗干扰性能不高，当电流传感器通过大电流或者周围存在一定强度外磁场干扰时，容易导致磁电阻集成芯片单个或者两个桥臂饱和，影响测量精度。
4.电流互感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器需要借助聚磁环结构放大磁场提高测量精度，从而实现电流的隔离测量。测量电流时，被测电流导体需要穿过聚磁环的中心孔，导致测量装置体积依赖被测电流导体以及聚磁环的尺寸。同时，聚磁环自身的频率特性严重限制了测量装置的频响特性，致使测量装置难以实现快速响应和高测量带宽。而额定电流较大的这几类传感器，传感器更是体积庞大，价格昂贵，无法广泛应用，并且方案固化，难以灵活适用不同的电流测量场合。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种电流传感器，以解决现有电流传感器测量范围窄、高频特性差、测量精度低和尺寸大等问题。
6.本发明实施例提供了一种电流传感器，包括：
7.待测电流导体，所述待测电流导体包含形状相同的第一导体段和第二导体段，且所述第一导体段和第二导体段的延伸形状所围成的区域呈“u”型分布，所述第一导体段和第二导体段以所述待测电流导体的几何中线呈轴对称分布；
8.第一磁传感器组和第二磁传感器组，所述第一磁传感器组设置于所述第一导体段的一侧或两侧，所述第二磁传感器组设置于所述第二导体段的一侧或两侧，所述第一磁传感器组和第二磁传感器组以所述待测电流导体的几何中线呈轴对称分布，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组的敏感方向相同；
9.信号处理器、电路板和四周封闭的屏蔽罩，所述屏蔽罩放置于外壳内，且包裹所述待测电流导体、所述第一磁传感器组、所述第二磁传感器组、所述信号处理器和所述电路板；
10.所述待测电流导体经电流流过后，所述第一导体段和所述第二导体段分别在各自沿所述几何中线方向的上下两侧产生待测磁场，该待测磁场的大小相同且以所述待测电流导体的几何中线呈反向对称分布，所述第一磁传感器组用于检测电流流过所述待测电流导体的第一导体段所产生的第一待测磁场，所述第二磁传感器组用于检测电流流过所述待测电流导体的第二导体段所产生的第二待测磁场，所述第一待测磁场和所述第二待测磁场构成差分待测磁场，所述差分待测磁场经过所述第一磁传感器组和第二磁传感器组转化为差分电压信号，所述差分电压信号经过所述信号处理器处理，转换成与待测电流呈比例关系且实时跟随待测电流变化的输出信号，所述输出信号通过连接在所述电路板上的引出导线输出。
11.进一步地，所述待测电流导体是单材质金属导体或匀质合金导体。
12.进一步地，所述待测电流导体对称区域的截面形状是矩形、梯形、圆形或者半圆形。
13.进一步地，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组对称设置在所述电路板上，所述电路板对称分布在所述待测电流导体的一侧或者两侧；
14.所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组均由m个间隔设置于所述第一导体段一侧或者两侧的磁传感器单元并联连接构成，所述磁传感器单元贴于所述电路板上，m为正整数；
15.所述第一磁传感器组的输出信号和所述第二磁传感器组的输出信号均为m个磁传感器单元的转换信号的均值，所述第一磁传感器组的输出信号和所述第二磁传感器组的输出信号构成所述差分电压信号。
16.进一步地，所述磁传感器单元为霍尔传感器、各向异性磁传感器、巨磁传感器或者隧道磁传感器。
17.进一步地，所述屏蔽罩材质为坡莫合金、硅钢、纯铁、导磁性金属材料或者合金。
18.进一步地，所述信号处理器包含温度补偿单元、非线性补偿单元和运算放大器，所述第一磁传感器组和所述第二磁传感器组转化的差分电压信号，依次经过所述温度补偿单元、所述非线性补偿单元和所述运算放大器，形成所述电流传感器的输出信号。
19.本发明实施例中，电流传感器的待测电流导体呈u型分布，第一磁传感器组设置于第一导体段一侧或两侧，第二磁传感器组设置于第二导体段一侧或两侧，无需聚磁结构，使得其整体结构尺寸较小且成本降低，同时显著提升了电流传感器的频响特性。电流传感器采用第一磁传感器组检测第一导体段的待测磁场，采用第二磁传感器组检测第二导体段的待测磁场，该两个待测磁场构成差分待测磁场，能够有效提高电流传感器的抗外磁场干扰能力；屏蔽罩的设置，在不影响待测电流的精确检测前提下，可以有效减弱甚至消除周围外界的电磁场干扰，避免因外部干扰引起的磁传感器单元的非正常饱和，进一步提升电流传感器的抗外磁场干扰能力。电流传感器中设置多个磁传感器组，具有较高信噪比，较高的空间容错率，保证了电流传感器在低频和高频电流测量中的高精度、低温漂，实现了对电流的隔离精确检测，拓宽了测量范围。本发明实施例提供的电流传感器，具有体积小、抗干扰能
力强、测量范围宽、低温漂、高频响、测量精度高的效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
21.图1是本发明实施例提供的一种电流传感器的示意图；
22.图2是本发明实施例中待测电流导体的成型示意图；
23.图3是本发明实施例中另一种待测电流导体的成型示意图；
24.图4是本发明实施例提供的另一种电流传感器的示意图；
25.图5是本发明实施例提供的又一种电流传感器的示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.参考图1所示，为本发明实施例提供的一种电流传感器的示意图。本实施例提供的电流传感器包括：待测电流导体101，待测电流导体101包含形状相同的第一导体段102和第二导体段103，且第一导体段102和第二导体段103的延伸形状所围成的区域呈“u”型分布，第一导体段102和第二导体段103以待测电流导体101的几何中线104呈轴对称分布；第一磁传感器组105和第二磁传感器组106，第一磁传感器组105设置于第一导体段102的一侧或两侧，第二磁传感器组106设置于第二导体段103的一侧或两侧，第一磁传感器组105和第二磁传感器组106以待测电流导体101的几何中线104呈轴对称分布，第一磁传感器组105和第二磁传感器组106的敏感方向相同；信号处理器108、电路板107和四周封闭的屏蔽罩114，屏蔽罩114放置于外壳115内，且包裹待测电流导体101、第一磁传感器组105、第二磁传感器组106、信号处理器108和电路板107；绝缘材质的外壳115；待测电流导体101经电流流过后，第一导体段102和第二导体段103分别在各自沿几何中线104方向的上下两侧产生待测磁场，该待测磁场的大小相同且以待测电流导体101的几何中线104呈反向对称分布，第一磁传感器组105用于检测电流流过待测电流导体101的第一导体段102所产生的第一待测磁场，第二磁传感器组106用于检测电流流过待测电流导体101的第二导体段103所产生的第二待测磁场，第一待测磁场和第二待测磁场构成差分待测磁场，差分待测磁场经过第一磁传感器组105和第二磁传感器组106转化为差分电压信号，差分电压信号经过信号处理器108处理，转换成与待测电流呈比例关系且实时跟随待测电流变化的输出信号，输出信号通过连接在电路板107上的引出导线109输出。
28.本实施例中，第一导体段102和第二导体段103形状完全相同，两者构成“u”型结构的待测电流导体101。
29.参考图2所示，为本发明实施例中待测电流导体的成型示意图。可选第一导体段102和第二导体段103的延伸形状为l型，则两者成型构成“u”型的待测电流导体101。该待测电流导体101的几何中线为104，第一导体段102和第二导体段103以几何中线104为轴呈轴对称分布。
30.参考图3所示，为本发明实施例中另一种待测电流导体的成型示意图。可选第一导体段102和第二导体段103的延伸形状类似于z型，则两者成型构成类似“u”型的待测电流导体101。该待测电流导体101的几何中线为104，第一导体段102和第二导体段103以几何中线104为轴呈轴对称分布。
31.可以理解，待测电流导体101的延伸形状可以是u型或类似u型，在此基础上，可以合理选取第一导体段102和第二导体段103以构成待测电流导体101。在此第一导体段102和第二导体段103并非是两个独立的导体段，而是待测电流导体101的局部，具体的对完整的待测电流导体101进行虚拟划分，则u型待测电流导体101可以划分为对称且形状相同的第一导体段102和第二导体段103。
32.以u型待测电流导体101所在平面为水平面x-y，如图1所示，可选第一磁传感器组105和第二磁传感器组106设置于该待测电流导体101所在平面x-y的同一侧。沿垂直于待测电流导体101所在平面x-y的方向z上，第一磁传感器组105在待测电流导体101所在平面x-y的垂直投影与第一导体段102交叠，即在z方向上，第一磁传感器组105设置于第一导体段102的上方区域，第二磁传感器组106在待测电流导体101所在平面x-y的垂直投影与第二导体段103交叠，即在z方向上，第二磁传感器组106设置于第二导体段103的上方区域。
33.电流传感器还包括电路板107。可选第一磁传感器组105和第二磁传感器组106均由一个磁传感器单元构成，分别对称设置在电路板107上表面。具体的，第一磁传感器组105和第二磁传感器组106设置于电路板107的上表面，电路板107位于磁传感器组和待测电流导体101之间。电路板107的上表面还设置有信号处理器108和引出导线109，第一磁传感器组105和第二磁传感器组106通过电路板107分别与信号处理器108和引出导线109实现电气连接。位于电路板107上表面的第一磁传感器组105和第二磁传感器组106还以待测电流导体101的几何中线104为轴呈轴对称分布。第一磁传感器组105和第二磁传感器组106的敏感方向相同。
34.在其他实施例中，还可选第一磁传感器组设置于第一导体段的两侧，第二磁传感器组设置于第二导体段的两侧。
35.给待测电流导体101通电。具体的，电流流入第一导体段102的起始端，经过第一导体段102和第二导体段103，再从第二导体段103的末端流出，参考图1所示，电流流入待测电流导体101的方向为110，电流流出待测电流导体101的方向为111。电流流入第一导体段102，使第一导体段102在沿几何中线104方向的上下两侧产生第一待测磁场，该第一待测磁场在电路板107所在位置的磁场方向为112。电流流入第二导体段103，使第二导体段103在沿几何中线104方向的上下两侧产生第二待测磁场，该第二待测磁场在电路板107所在位置的磁场方向为113。第一待测磁场的磁场方向112和第二待测磁场的磁场方向113大小相同但方向相反，且两者的磁场方向还以待测电流导体101的几何中线104呈反向对称分布。
36.第一磁传感器组105和第二磁传感器组106的敏感方向相同，均与第一待测磁场的磁场方向112相同。第一磁传感器组105可用于检测电流流过待测电流导体101的第一导体
段102所产生的第一待测磁场，第二磁传感器组106可用于检测电流流过待测电流导体101的第二导体段103所产生的第二待测磁场，第一待测磁场和第二待测磁场构成差分待测磁场。该差分待测磁场经过第一磁传感器组105和第二磁传感器组106转化为差分电压信号。
37.电流传感器还包括信号处理器108，信号处理器108与电路板107电连接。第一磁传感器组105和第二磁传感器组106根据第一待测磁场和第二待测磁场转化生成的差分电压信号，经过信号处理器108处理，转换成与待测电流呈一定比例关系且实时跟随待测电流变化的输出信号，该输出信号通过连接在电路板107上的引出导线109输出。
38.电流传感器还包括四周封闭的屏蔽罩114，屏蔽罩114放置于绝缘材质的外壳115内，屏蔽罩114包裹待测电流导体101、第一磁传感器组105、第二磁传感器组106、信号处理器108和电路板107等结构。绝缘材质的外壳115可以提升电流传感器的电气安全性能。可以理解，图1中仅示出了电流传感器内部的部分结构，实际中电流传感器的全部内部结构由屏蔽罩114完全包裹，再由绝缘外壳115包裹屏蔽罩114。需要说明的是，连接在电路板107上的引出导线109穿过屏蔽罩114引出至外壳115之外。
39.可选待测电流导体101是单材质金属导体或匀质合金导体。但不限于此，在保证待测电流导体的功能的基础上，可以合理选取待测电流导体的材质。
40.可选待测电流导体101对称区域的截面形状是矩形、梯形、圆形或者半圆形。即采用x-z平面对待测电流导体101的第一导体段102和第二导体段103进行截面，则可选待测电流导体101的截面形状为矩形、梯形、圆形或者半圆形。但不限于此，在保证待测电流导体的功能的基础上，可以合理设计待测电流导体的截面形状。
41.可选屏蔽罩材质为坡莫合金、硅钢、纯铁、导磁性金属材料或者合金。但不限于此，在保证屏蔽罩的屏蔽功能的基础上，可以合理选取屏蔽罩的材质。
42.可选第一磁传感器组由一个或多个磁传感器单元构成，第二磁传感器组由一个或多个磁传感器单元构成。可选磁传感器单元为霍尔传感器、各向异性磁传感器、巨磁传感器或者隧道磁传感器。但不限于此，在保证电流传感器的功能的基础上，可以合理选取构成磁传感器组的磁传感器单元。
43.可选信号处理器108包含温度补偿单元、非线性补偿单元和运算放大器，第一磁传感器组105和第二磁传感器组106转化的差分电压信号，依次经过温度补偿单元、非线性补偿单元和运算放大器，形成电流传感器的输出信号。
44.本实施例中，信号处理器108与电路板107电连接，通过信号处理器108中的温度补偿单元对第一磁传感器组105和第二磁传感器组106的电压信号进行温度补偿，通过非线性补偿单元对经过温度补偿的电压信号进行非线性补偿，通过运算放大器对经过非线性补偿的电压信号进行增益放大，可以保证电流传感器的高精度和低温漂，实现对电流的隔离精确检测。可选信号处理器为可编程调理芯片，包含温度补偿单元和非线性补偿单元。
45.本发明实施例中，电流传感器的待测电流导体呈u型分布，第一磁传感器组设置于第一导体段一侧或两侧，第二磁传感器组设置于第二导体段一侧或两侧，无需聚磁结构，使得其整体结构尺寸较小且成本降低，同时显著提升了电流传感器的频响特性。电流传感器采用第一磁传感器组检测第一导体段的待测磁场，采用第二磁传感器组检测第二导体段的待测磁场，该两个待测磁场构成差分待测磁场，能够有效提高电流传感器的抗外磁场干扰能力；屏蔽罩的设置，在不影响待测电流的精确检测前提下，可以有效减弱甚至消除周围外
界的电磁场干扰，避免因外部干扰引起的磁传感器单元的非正常饱和，进一步提升电流传感器的抗外磁场干扰能力。电流传感器中设置多个磁传感器组，具有较高信噪比，较高的空间容错率，保证了电流传感器在低频和高频电流测量中的高精度、低温漂，实现了对电流的隔离精确检测，拓宽了测量范围。本发明实施例提供的电流传感器，具有体积小、抗干扰能力强、测量范围宽、低温漂、高频响、测量精度高的效果。
46.示例性的，在上述技术方案的基础上，可选第一磁传感器组和第二磁传感器组对称设置在电路板上，电路板对称分布在待测电流导体的一侧或者两侧；第一磁传感器组和第二磁传感器组均由m个间隔设置于第一导体段一侧或者两侧的磁传感器单元并联连接构成，磁传感器单元贴于电路板上，m为正整数；第一磁传感器组的输出信号和第二磁传感器组的输出信号均为m个磁传感器单元的转换信号的均值，第一磁传感器组的输出信号和第二磁传感器组的输出信号构成差分电压信号。
47.本实施例中，可选第一磁传感器组和第二磁传感器组均由m个磁传感器单元并联连接构成，其中m为正整数。
48.如图1所示，m＝1，即第一磁传感器组105和第二磁传感器组106均由一个磁传感器单元构成，分别对称设置在电路板107上表面，第一磁传感器组105和第二磁传感器组106敏感方向相同。
49.参考图4所示，为本发明实施例提供的另一种电流传感器的示意图。如图4所示，m大于1，可选m＝3，则第一磁传感器组由3个磁传感器单元405、406和407并联连接构成，第二磁传感器组由3个磁传感器单元408、409和410并联连接构成，且以待测电流导体401的几何中线404为轴对称分布在电路板411的上表面。第一磁传感器组和第二磁传感器组的敏感方向相同，具体的，磁传感器单元405、406、407、408、409和410的敏感方向相同。
50.电路板411设置在构成“u”型待测电流导体401的第一导体段402和第二导体段403上侧，待测电流412沿图示箭头方向流入待测电流导体401，并分别在第一导体段402和第二导体段403上侧产生第一待测磁场和第二待测磁场，这两个待测磁场大小相同方向相反，且以待测电流导体401几何中线404呈轴对称分布，构成差分待测磁场。其中，第一磁传感器组输出信号为三个磁传感器单元405、406、407的输出信号的均值，第二磁传感器组输出信号为三个磁传感器单元408、409、410的输出信号的均值，第一磁传感器组输出信号和第二磁传感器组输出信号构成差分待测磁场，该差分待测磁场经过第一磁传感器组和第二磁传感器组转化为差分电压信号。
51.本实施例中，一个磁传感器组中设置多个磁传感器单元，使得测量过程具有较高信噪比，较高的空间容错率，保证了电流传感器在低频和高频电流测量中的高精度、低温漂，实现了对电流的隔离精确检测，拓宽了测量范围。
52.示例性的，在上述技术方案的基础上，还可选第一磁传感器组设置于第一导体段的两侧，第二磁传感器组设置于第二导体段的两侧。参考图5所示，为本发明实施例提供的又一种电流传感器的示意图。与图1的区别在于，图5所示电流传感器中，第一磁传感器组由两个磁传感器单元504和505并联连接构成，第二磁传感器组由两个磁传感器单元506和507并联连接构成，分别对称设置在两个电路板508和509上。
53.如图5所示，待测电流导体包括第一导体段501和第二导体段502，第一导体段501和第二导体段502以待测电流导体的几何中线503为轴呈轴对称分布。第一磁传感器组中两
个磁传感器单元504和505设置于第一导体段501所在平面的上下两侧，第二磁传感器组中两个磁传感器单元506和507设置于第二导体段502所在平面的上下两侧。磁传感器单元504和506的敏感方向相同，磁传感器单元505和507的敏感方向相同，且磁传感器单元504和507的敏感方向相反。
54.其中，电路板508设置在构成“u”型待测电流导体的第一导体段501和第二导体段502的上侧，电路板509设置在构成“u”型待测电流导体的第一导体段501和第二导体段502的下侧，且电路板508和509对称设置在第一导体段501和第二导体段502上下侧。可选磁传感器单元504和磁传感器单元506位于电路板508的上表面，磁传感器单元505和磁传感器单元507位于电路板509的下表面。
55.待测电流以电流方向510流入第一导体段501，则待测电流在第一导体段501的上下两侧产生反向对称的待测磁场512和513，这两个待测磁场512和513以第一导体段501呈轴对称分布，大小相等且方向相反，形成差分磁场。待测电流再以电流方向511流出第二导体段502，则待测电流在第二导体段502的上下两侧产生反向对称的待测磁场514和515，这两个待测磁场514和515以第二导体段502呈轴对称分布，大小相等且方向相反，形成差分磁场。
56.待测磁场512&513和待测磁场514&515以待测电流导体的几何中线503呈轴对称分布，大小相等且方向相反，形成差分待测磁场。第一磁传感器组输出信号为两个磁传感器单元504和505的差分磁场转换信号的均值，第二磁传感器组输出信号为两个磁传感器单元506和507的差分磁场转换信号的均值，第一磁传感器组输出信号和第二磁传感器组输出信号构成差分待测磁场，该差分待测磁场经过第一磁传感器组和第二磁传感器组转化为差分电压信号。
57.本发明实施例提供的电流传感器，具有体积小、抗干扰能力强、测量范围宽、低温漂、高频响、测量精度高的效果。
58.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。