高精度电流传感器研制_贺兴容
基于三维感应线圈的新型MEMS电流传感器
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
63
DOI：10． 13873 / J． 1000—9787（2019）02—0063—03
基于三维感应线圈的新型 MEMS 电流传感器*
李 斌1，2 ，彭春荣1 ，凌必赟1，2 ，储昭志1，2 ，张洲威1，2 ，夏善红1
（ 1． 中国科学院电子学研究所，北京 100190； 2 中国科学院大学，北京 100049）
摘 要： 基于三维感应线圈，研制了一种新型微机电系统（ MEMS） 电流传感器。传感器以玻璃为衬底，以
聚酰亚胺为支撑和绝缘材料，通过溅射、光刻、电镀、抛光等微加工工艺在玻璃衬底上制作出三维感应线
圈。传感器具有功耗低、线性度好、质量轻和结构简单等优点，通过 U 型装置固定在传输导线表面，安装
根据结构和测量原理不同电流传感器可分为磁阻电流 传感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器和感应线圈电 流传感器等。这些电流传感器均通过测量电流源周围的磁 场进而确定被测电流的大小，其中，感应线圈凭借其线性度 好、无源测量、结构简单、成本低和能耗低的优势成为当前 研究 的 热 点［10，11］。 与 传 统 的 传 感 器 相 比，微 机 电 系 统（ micro-electro-mechanical system，MEMS） 传感器具有测量 精度高、体积小、重量轻、功耗低、成本低廉、有利于批量化 生产等优点。2012 年，Chen Y C 等人［12～ 14］ 基于平面感应 线圈，利用微加工工艺，在柔性衬底上生成了一种用于家用 电线信号检测的 MEMS 电流传感 器，不 过 由 于 架 空 线 路 （单线）附近的磁场分布和家用电线（ 双线） 的磁场分布有 很大不同，平面感应线圈无法应用于配电网中。
霍尔电流传感器技术研究
霍尔电流传感器技术研究摘要霍尔电流传感器作为电流计量技术中的关键组件，凭借其高精确度、宽泛的测量跨度及卓越的稳定性，在工业自动化、新能源汽车产业中展现了广泛应用的潜力。
本研究综合考察了霍尔电流传感器的运作机理、性能指标、应用范畴及技术革新方向。
该传感器利用霍尔效应的原理，借助磁场的相互作用，巧妙地将电流信息转变为电压信号，从而实现电流的精密测量。
其核心性能参数，如测量区间、测量精确度和线性度等，对传感器在真实应用场景中的效能发挥起着决定性作用。
霍尔电流传感器在工业自动化领域能够为电机控制和电源管理提供不可或缺的数据支撑，是确保系统稳定运作的关键。
转至新能源汽车行业，它在电池管理系统中担当要角，对维护电池的使用安全与高效性能发挥着核心作用。
此外，其在电力传输、航空航天等其他高科技领域也展示出广泛的应用价值与可能性。
尽管如此，现有的传感器技术仍面临测量精确性、长期稳定性能等方面的挑战，这些限制要求通过探索新型材料与采用更先进的制造工艺来突破，以实现传感器性能的再度飞跃。
未来，霍尔电流传感器技术的发展将趋向高精度、高稳定性，同时追求宽测量范围和低功耗。
智能化、集成化将成为传感器产品的重要特征，满足更多领域的应用需求。
本研究的结论不仅为霍尔电流传感器技术的研发和应用提供了重要参考，也为相关领域的研究者和技术人员提供了新的思路和方法。
关键词：霍尔电流传感器；霍尔效应；工业自动化；新能源汽车；技术创新目录摘要 (1)第一章引言 (3)1.1 霍尔电流传感器概述 (3)1.2 研究目的与意义 (4)1.3 国内外研究现状及发展趋势 (4)第二章霍尔电流传感器工作原理 (6)2.1 霍尔效应原理 (6)2.2 传感器工作过程 (6)2.3 传感器性能参数 (7)第三章霍尔电流传感器技术应用 (9)3.1 工业自动化领域应用 (9)3.2 新能源汽车领域应用 (10)3.3 其他领域应用 (10)第四章霍尔电流传感器技术发展与创新 (12)4.1 技术局限性分析 (12)4.2 技术创新方向 (13)4.3 未来发展趋势预测 (14)第五章结论 (15)5.1 研究总结 (15)5.2 研究展望 (15)第一章引言1.1 霍尔电流传感器概述霍尔电流传感器，一种以霍尔效应为工作原理的电流检测装置，能够将电流信号转化为电压信号，从而提供精确的电流测量数据。
基于磁通门原理的高精度电流传感器的研制_吕冰
1.引言 用电流传感器作为电气设备绝缘在 线检测系统的采样单元，已得到业内人士 的共识。目前，电流传感器有多种类型， 如霍尔传感器、无磁芯电流传感器、高导 磁非晶合金多谐振荡电流传感器、电子自 旋共振电流传感器等。由于电力系统使用 环境的特殊性，许多传感器存在自身的局 限性。目前应用于电力系统的电流传感器 多是以电磁耦合为基本工作原理的，从采 样方式上分，这类传感器主要有直接串入 式、钳式、闭环穿芯式三种。大量的研究 试验表明，基于“零磁通原理”的小电流 传感器更适合电力系统绝缘在线检测的要 求。本文所述小电流传感器即是以磁通门 技术为基本原理，加上闭环控制在电子电 路中的应用，使小电流传感器具有高精 度、高稳定度、抗干扰能力强等优点。 2.磁通门原理与电流传感器系统组成 2.1 磁通门原理 磁通门传感器是利用被测磁场中高 导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其 磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测 量弱磁场的。这种物理现象对被测环境 磁场来说好像是一道“门”，通过这道
一种霍尔电流传感器芯片的封装方法及芯片结构与流程
一种霍尔电流传感器芯片的封装方法及芯片
结构与流程
霍尔电流传感器芯片是一种常用于测量电流的器件，它通过霍尔效应来实现电
流的检测和测量。
本文将介绍一种霍尔电流传感器芯片的封装方法及芯片结构与流程。
在封装方法方面，这种霍尔电流传感器芯片采用了表面贴装技术（SMT）进行
封装。
首先，将芯片固定在一个小型封装载体上，然后使用焊接技术将芯片与载体连接。
接下来，通过注射封装材料，将芯片和载体进行密封，保护芯片免受外界环境的影响。
在芯片结构方面，这种霍尔电流传感器芯片包括霍尔元件、信号采集电路和信
号处理电路。
霍尔元件是实现电流检测的关键部分，它基于霍尔效应将电流转化为电压信号。
信号采集电路用于接收和放大霍尔元件产生的微弱电压信号，以便后续处理。
信号处理电路则负责对信号进行滤波、放大和转换，最终输出一个与电流强度成正比的电压或数字信号。
在芯片制造流程方面，该霍尔电流传感器芯片的制造流程包括以下几个步骤。
首先，进行芯片设计和验证，确保芯片能够满足设计要求。
然后，利用半导体制造工艺，在硅片上制造出霍尔元件和其他相关电路。
接下来，进行芯片测试和筛选，仅保留符合规格的芯片。
最后，进行封装和包装，将芯片装在集成电路封装中，并进行最终测试和质量控制，确保芯片的可靠性和稳定性。
总结而言，这种霍尔电流传感器芯片的封装方法采用表面贴装技术，其芯片结
构包括霍尔元件、信号采集电路和信号处理电路。
芯片的制造流程经过设计、制造、测试、封装和包装等环节。
这种封装方法及芯片结构与流程能够有效地实现电流的检测和测量，为电力、电子等领域提供了可靠的解决方案。
高精度电流传感器研制
第 ２ 卷第 ５ ９ 期
２０ ０６年 ｌ Ｏ月
四 川 电 力 技 术
Ｓｄｍａ ｌ ｒ ｏ ｒＴ ｃｎ ｇ ｉ ｎ Ｅｅ ｉ Ｐ ｗｅ ｅｈ ｄｏｙ ｃｔｃ
Ｖｏ ． ９． ５ ｜ ２ Ｎｏ． Ｏｃ ． ２ Ｏ ｔ ，０ ６
高 精度 电流 传感 器研 制
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１ 高精度 电流传感器基本原理
绝缘在线监测电流传感器工作原理类 似于传统 的电流互感器 。 它采用穿芯式 环形结构 ， 通过在普通 型电流传感器的副边接人补偿电路 ， 检测激磁电流产 生的磁势 ， 根据电磁感应定律将磁通转变成电压 ， 经 运放放大后在补偿绕组中产生电流 ， 最终以磁势形式 补偿 ， 使传感器工作在磁平衡状态 ， 形成磁闭环 ， 从而 提高传感器负载能力和转换精度。
Ｋｅ ｌ ｓ ｕ ＇ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｏ ｙ Ｗｏ＇ ＂ｃ ｎ ｎ 啮０ ：ｉｓ ｌｔ ｎ；ｏ ｄ ｅ ８ ｉ ｎ—ｌ ｅ ｍｏ ｉ ｒ ｇ ｉ ｎｔ ｉ ；ｍａ ｎ ｔ ｒｅ ｂ ｌｎ ｅ ｎ ｏｎ ｇ ｅ ｃ ｆ ｃ ａａ ｃ ｉ ｏ
中图分类号 ：Ｉ ３ 文献标识码 ： 文章编号 ：０３ ９ ４２Ｏ ｝５— ０５ ２ ＴＩ ５ Ｖ ８ Ｂ １０ —６５ （０ ６Ｏ ０５ —０
第２ ９卷第 ５ 期 ２０ ０６年 ｌ Ｏ月
高灵敏度的光磁式电流传感器
高灵敏度的光磁式电流传感器
邓隐北
【期刊名称】《光电技术应用》
【年(卷),期】2008(23)1
【摘要】介绍了结构上带气隙的园环铁芯,采用新型传感元件设计的法拉第效应光磁式电流传感器.该传感器元件是一块经过精细研磨的玻璃棱镜,棱镜的两端面有高反射能力的镀层,经棱镜传播的光束在玻璃/空气界面上会进行20次的临界反射.新设计的电流传感器,其灵敏度比基于类似原理的原设计产品几乎高3倍.
【总页数】3页(P54-55,59)
【作者】邓隐北
【作者单位】郑州大学,河南,郑州,450052
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.磁光式电流互感器模型与测量性能分析 [J], 李晓明;何照胜;徐志超
2.一种改善磁光式电流互感器性能的新方法 [J], 申烛;张涛;赵伟;罗承沐;黄志刚
3.磁光式电流互感器相对误差影响因素分析 [J], 李晓明;徐志超;陈豪;王立辉;孙健
4.磁光式电流传感器的设计与应用 [J], 周翔
5.磁光玻璃费尔德常数的波长依赖性和磁光玻璃光纤电流传感器中存在的问题 [J], 卜胜利;杨瀛海;马静
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提高高频电流传感器灵敏度的方法
提高高频电流传感器灵敏度的方法
周文俊;邹建明;雷又高
【期刊名称】《高电压技术》
【年(卷),期】1997(23)1
【摘要】高频电流传感器是变压器局部放电在线监测的关键部件。
本文对高频电流传感器的输出响应进行了理论分析与模拟试验。
探讨了影响高频电流传感器灵敏度的若干因素，提出了提高高频电流传感器灵敏度的几种有效方法。
理论分析与实测误差＜５％。
【总页数】4页(P69-72)
【关键词】在线监测;电流传感器;灵敏度;高频电流
【作者】周文俊;邹建明;雷又高
【作者单位】武汉水利电力大学;华中电力集团公司动能经济研究所;江汉油田水电厂
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.500 kV GIS断路器内置特高频传感器灵敏度校验方法 [J], 庞小峰;李兴旺;吕鸿;王增彬;吴建明;黎量;刘昌标;郑书生
2.混合型磁光电流传感器灵敏度的提高 [J], 易本顺;刘延冰
3.光学电流传感器灵敏度的提高 [J], 易本顺;刘延冰
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高精度电流传感器研制贺兴容(四川省电力公司建设集团公司,四川成都 610041)摘 要:提出了一种用于绝缘在线监测技术的新型高精度电流传感器的研究方法。
该方法旨在普通电流传感器基础上采用电流补偿方法,使传感器工作在磁平衡状态,从而消除电流传感器误差,提高传感器测试精度。
实验证明这种方法不仅可行,而且具有补偿效果明显、测试精度高等特点,为进一步提高绝缘在线监测测试精度和稳定性提供了一条新的途径。
关键词:电流传感器;绝缘;在线监测;磁平衡Abstract:A new method of highly accurate current sensor used in on-line insulation moni tori ng system is presented.In this way, current sensor can work accurately and without any error based on a magnetic force balance by compensating the current.The test re-sults of this method show that i t is not only feasible,but also has a remarkable compensation effect and a higher accuracy.It gives a new way to enhance the accuracy and stabili ty of on-line insulation monitoring system.Key words:curren t sensor;insulation;on-line monitoring;magnetic force balance中图分类号:TM835 文献标识码:B 文章编号:1003-6954(2006)05-0055-02提出一种基于电流补偿技术的新方法,采用电子电路能自适应补偿的电流传感器,它具有补偿效果明显、带负载能力强及具有较强的抗干扰能力等特点,为研制高精度的电流互感器提供了一种新的途径,提高了绝缘在线监测测量精度。
1 高精度电流传感器基本原理绝缘在线监测电流传感器工作原理类似于传统的电流互感器,它采用穿芯式环形结构,通过在普通型电流传感器的副边接入补偿电路,检测激磁电流产生的磁势,根据电磁感应定律将磁通转变成电压,经运放放大后在补偿绕组中产生电流,最终以磁势形式补偿,使传感器工作在磁平衡状态,形成磁闭环,从而提高传感器负载能力和转换精度。
2 高精度电流传感器的传输特性分析当传感器原边通以电流时,在副边取电压信号,故其传递函数为:H= U2/ U1当外接负荷R L时,如图1示(图中以P算子代替j )。
由电路理论知:U2=R m j L m(1j C 2R L)R m j L m+r 2+j L 2 +1j C 2R(1)H i(j )jR L R m L mm L m L m2 L2 2L m m m L2 m2m2(2)其幅频特性为:H L=|H i(j )|=H=U2/U1=R L R m L m[R m R L- 2L m(R L R m C 2 +R L C 2 r 2)]2+ 2[R L L m+R m L m+R L C 2 (R m r 2- 2L m L 2 )]2(3)相频特性为:Q1=arctgR m R L- 2L m(R L R m C 2 +R L C 2 r 2) [R L L m+R m L m+R L C 2 (R m r 2- 2L m L 2 )](4)图1 传感器传输特性分析对于工程设计,可将进一步简化。
一般C2 为pF 数量级,L2 为 H数量级,故在低频时, 2L2 C25 <<1,可将(3)、(4)式简化为:H L=R L R m L m[R m R L- 2L m R L R m C 2 ]2+[(R L+R m)L m ]2Q1=R m R L- 2L m R L R m C 2[R L L m+R m L m+R L C 2 R m r 2](5)当R m>>R L,传递函数在频率为500Hz以下时,有:|R L L m2-R m L m R L C 2 |<<L m(R L+R m)这时,H I R I=N2R L,Q L=0。
可见,在满足低频且R m>>R L的条件下,H I正比于变比平方与R L的乘积,几乎无相移,但事实上,它与铁芯的导磁率有关, 越大,则L m越大,感应电势越高。
从(5)可得出:H I max=R L R m R L+R m其条件为:R m R L= 2L m R L R m C 2 ,即: L m=1C 2这时 Q I m i n=0 0=1L m C 2值20log H i/H I max 为传递函数幅值下降的dB 数,其3dB低频下限截止频率为:i L=R L R m(R L+R m)L m(6)其3dB高频上限频率为:i H=R L R mR L R m C 2 +L 2(7)由式(6)和(7)可见,R L的引入使 iL降低, i H变大(尤其是当R m>>R L时);实际上,R L的引入,拓宽了电流传感器的工作频带,当R L一定时, iL主要由L m决定; i H主要由L 2 和l 2 决定,也就是说,主电感L m决定了传感器传递函数H i幅值低频段的频率响应,而漏电抗L2 和分布电容C 2 决定了高频段的频率响应。
这里要指出的是函数一定时,L 2 、C 2 两者呈反比例趋势变化,要同时减小L 2 和C 2 是困难的。
因此,在设计低频电流传感器时,主要考虑L m。
对于用于实际在线监测装置的电流传感器来说,其电流传感器特性除了满足幅值传输特性外,还必须满足相频特性要求,以下将以电流传递函数的相频特性来进行分析。
Q L和H L分别为电流传感器低频和高频允许相位移,从相移的角度同样可得其低频下限截止频率 QL和高频上限频率 QH。
QL=R L R m(R L+R m)L m tg(8)QH=(R L+R m)tg HR L R m C 2 +L 2(9)(8)、(9)式表明:R m,R L,C2 等参数对相频特性上下限截止频率的影响及幅频特性的影响一致,这说明导致幅频特性变化的因素,同样也导致了其相频特性的变化。
式(6)到(9)分别就传感器电流传递函数允许幅值衰减与相移定义了上下限截止频率,在幅值的振点附近,其输出信号幅值最大,相对于输入信号的相移最小。
设计低频电流传感器时,在低频范围内,要得到信号的最大传输量,则振点要设置在该段频率中心频率处,但是,当外并电阻太大时,在振频两边,其幅角和相角随频率或输入信号的大小发生畸变,从而使分析信号失真,这说明要得到大的信号传输,与要求得到不失真的信号分量传输是相互矛盾的,因此在设计电流传感器时,外并电阻的合理选择是一个协调上述二者的过程。
3 高精度电流传感器的实验分析测试时,I1和U2信号均很微弱,不便于观测其中幅频特性和相频特性,故在观测相频特性时,在I1中串入一个电阻,取电阻上的电压的相位作为I1的相位,U2的相位减去放大器在该频率下的相移后的相位,为传感器本身的相移,测试结果列于表1中。
表1 传感器幅频特性和相频特性测试频率(Hz)501001502002503003504004501000幅值(mV)9.716.425.43647566369821150相角(度)0.050.050.050.050.050.050.050.050.050.05在第(5)中得出:在R m>>R L时,H I=N2R L, 0。
对此,进行了实验验证,测试参数如表2所示。
(下转第88页)作者认为在今后对互联系统旋转备用容量确定的研究中,可以在满足风险约束的前提下,将总运行成本(同时考虑购买电量和旋转备用的费用)最小作为目标,对各系统机组进行优化组合。
首先各系统根据启动成本最小确定装机顺序,再形成各自的容量停运概率表,找到满足SSR的机组组合方式。
然后,由低SSR的系统对高SSR的系统提供协助。
被协助系统可选择购买全部短缺电量,也可选择购买部分短缺电量,同时购买旋转备用容量,选择的基础是从经济效益出发。
然后,根据输出/输入约束的旋转备用评估方法得到互联等效后的两系统容量停运概率表,估计各自的ISR。
如果不满足特定ISR,则再在支援系统中组合一台机组,重复之前的过程。
随着区域电力市场的建立,旋转备用容量的确定不止存在于互联系统之间,它将扩展到整个区域电力市场中,合理协调全区域和分区域的旋转备用容量,提高经济效益和运行可靠性将是研究的下一步工作。
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