基于霍尔效应和空芯线圈的电流检测新技术

本文的主要工作是探寻适合工业领域大规模应用的直流电流和交流电流检测方法,针对已被普遍采用的霍尔电流传感器和空芯线圈的传感原理和实现方法进行了深入研究,提出的新颖的传感模型能够有效克服传统结构存在的诸多缺点,并努力在实用化和产业化方面进行了尝试。 霍尔电流传感器是针对低频率或直流电流测量的简单而有效的检测方法,经典的开环型结构测量精度低、动态范围小、重量重、造价高,闭环型霍尔电流传感器采用了零磁通原理,虽然在测量精度上较开环型结构大为提高,但测量系统更为复杂,当被检测电流较大时,制造的成本和困难程度将急剧增加。 从传感模型出发,本文提出了不采用气隙铁芯构造霍尔电流传感器的思路,基于长直导线磁场分布的点阵式霍尔电流传感器适用于直流大电流的测量,基于螺旋导线磁场分布的螺旋线型霍尔电流传感模型可应用在诸如漏电流等微弱电流测量领域。从工程实际出发,本文提出了采用印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)技术实现点阵式和螺旋线型霍尔电流传感器的制造方法,由PCB板和霍尔元件构成的传感器线性度高、动态范围宽、重量轻、价格低廉,非常适合在工业领域的大规模应用。 空芯线圈自问世以来在交变磁场和电流的测量方面尤其是在电力系统暂态电流的测量中得到了极大的重视,线性度不高、批量生产的一致性差、温度稳定性较差等是影响手工绕制空芯线圈大规模实用化和产业化的关键因素。 从传感模型出发,本文论证了空芯线圈与点阵式霍尔电流传感模型在本质上的一致性,总结了理想空芯线圈的4条基本假设,将PCB技术应用于空芯线圈的制造为空芯线圈结构的丰富和发展提供了契机,平板型、组合型、窄带型等三种基于PCB板的空芯线圈建立在长直导线磁场分布的基础之上,而螺旋线型空芯线圈遵循的是螺旋导线磁场分布模型。交流电力系统中的空芯电流互感器、Tokamak中的等离子体电流测量装置、静止式电能表中的空芯电流传感器采用不同结构的PCB板空芯线圈作为传感头,并已得到应用。 理论分析和实际测试均表明:本文提出的点阵式霍尔电流传感器、螺旋线型霍尔电流传感器、全PCB板空芯线圈分别在不同频率、不同幅值的电流测量领域有着显著的优点和巨大的潜在推广价值。