一种基于霍尔元件的调零电路及电流传感器的制作方法

1.本发明属于电磁感应技术领域，尤其涉及一种基于霍尔元件的调零电路及电流传感器。

背景技术：

2.目前，传统的霍尔传感器一般通过单组绕组绕制磁环，将导线产生的磁场在磁环上进行接触式传感，由于受接触材质和接触面积影响，电路中会出现严重的失调电压；即使通过增加传统电流互感器实现非接触测量，由于电路工作温度和变化的磁场强度影响，实现调零的效果依旧不理想，且线性度和精度都有待提高。

技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种基于霍尔元件的调零电路及电流传感器，旨在解决传统恒流恒压输出电路电路复杂和稳定性差的问题。
4.本发明实施例的第一方面提供了一种基于霍尔元件的调零电路，包括：包括：霍尔元件，霍尔元件设置在c形磁环的开口处，配置为检测外部电流感应磁场，并生成霍尔电压信号；反馈线圈，设于c形磁环的第一端；磁平衡线圈，设于c型磁环的第二端，其中，磁平衡线圈与反馈线圈相对设置；调理电路，与霍尔元件和反馈线圈连接，配置为将霍尔电压信号比较放大处理生成第一电流信号；其中，第一电流信号流过反馈线圈，以形成第一电磁场；电流调节电路，与调理电路和磁平衡线圈连接，配置为根据调理电路提供的电压信号调节磁平衡线圈中流过的电流，以使反馈线圈产生的磁动势与磁平衡线圈产生的磁动势相等；其中，反馈线圈产生的感应磁场的方向与磁平衡线圈产生的感应磁场的方向相反。
5.在其中一个实施例中，基于霍尔元件的调零电路，还包括电磁产生电路，与调理电路和电磁平衡电路连接，配置根据圆杆导体外接电源，在聚磁环周围产生电磁场，且电磁场为第一电磁场。
6.在其中一个实施例中，霍尔元件呈方体对称结构，对称设置在c型磁环开口等间距中心处，形成与c型磁环上下无接触电磁感应结构。
7.在其中一个实施例中，调理电路包括：比较放大器、电源、第一绕组、第一电阻；比较放大器的正向输入端作为调理电路的电压信号的输入端，与霍尔元件连接，以接入电压信号；比较放大器的反向输入端作为调理电路的基准电压信号输入端，以接入基准电压，配置为将电压信号与基准电压比较，根据比较结果输出第一电流信号；电源，与比较放大器连接，以接入第一电流信号，配置为稳定第一电流信号，且为电磁平衡电路供电；第一绕组第一端，与电源连接，配置为导通第一电流信号；第一电阻第一端，与第一绕组第二端连接；第一电阻的第二端，与电源地连接。
8.在其中一个实施例中，电流调节包括：可调电阻，可调电阻的第一端连接，可调电阻的第二端连接。
9.在其中一个实施例中，电流调节还包括：温敏电阻，温敏电阻的第一端，与可调电
阻的第二端连接，配置为根据电路温度值自动适配相应的阻值；温敏电阻的第二端，与第二绕组的第一端连接。
10.在其中一个实施例中，电磁产生电路包括：圆杆导体，圆杆导体固定于聚磁环的环心位置，配置为导通外部电流，并在聚磁环上产生电磁场；聚磁环，与第一绕组和第二绕组连接，配置为根据圆杆导体产生的电磁场的电磁信号改变第一绕组和第二绕组的磁场。
11.在其中一个实施例中，反馈线圈的匝数为磁平衡线圈的匝数的10倍。
12.在其中一个实施例中，电源包括；第一场效应管、第二场效应管；第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极连接，配置为电源接入第一电流信号的输入端；第一场效应管的漏极接入正电压；第二场效应管的源极接入负电压；第一场效应管的源极和第二场效应管的漏极连接，作为第一电流信号的输出端，配置为稳定的持续跟踪第一电流信号。
13.本发明实施例的第二方面提供了一种电流传感器，包括上述基于霍尔元件的调零电路。
14.本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
15.霍尔元件通过半导体霍尔传感器对电磁场的电磁信号隔离采样以输出电压信号；调理电路通过比较放大器将所述电压信号比较放大调理成第一电流信号；电磁平衡电路，根据预设的第二电流信号形成反向电磁场，以输出电磁控制信号，且所述电磁控制信号控制所述调理电路的电磁场，并在所述调理电路中生成第三电流信号，实现第一电路信号和第三电流信号相互抵消；提升了电流的线性度，并实现隔离传感和高精度传感。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明一实施例提供的一种基于霍尔元件的调零电路结构示意图；
18.图2是本发明一实施例提供的另一种基于霍尔元件的调零电路结构示意图；
19.图3是本发明一实施例提供的一种基于霍尔元件的调零电路的一种部分示例电路结构示意图；
20.图4示出了本发明实施例提供的一种基于霍尔元件的调零电路的一种部分示例电路结构示意图；
21.图5示出了本发明实施例提供的一种基于霍尔元件的调零电路的电路原理结构示意图。
具体实施方式
22.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
23.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可
以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
24.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
25.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
26.参阅图1，图1是本发明一实施例提供的一种基于霍尔元件的调零电路的电路结构示意图，包括：霍尔元件11设置在c型磁环开口处，配置为对电磁场的电磁信号采样以输出霍尔电压信号。
27.需要说明的是，霍尔元件11采用半导体材质的霍尔元件，通过磁电效应在对电磁场电磁信号采样的过程中，不接触相关电路只通过感应电磁场即可实现采样过程。
28.调理电路21，与霍尔元件11连接，配置为将霍尔电压信号比较放大调理成第一电流信号，且第一电流信号经过调理电路21第一绕组形成第一电磁场。
29.需要说明的是，当霍尔元件11输出的电压信号在0～7mv之间，直接导通该电压信号，容易出现失真或持续电压漂移的情况，此处调理电路21将电压信号放大后输出第一电流信号，可以避免上述情况，且调理成相应电流信号后传导和感应电磁信号精度更准确。
30.电磁平衡31电路，与调理电路21连接，配置为根据调理电路21电源反馈，预设第二电流信号形成第二电磁场以输出电磁控制信号，且电磁控制信号控制调理电路21，并在调理电路21中生成与第一电流信号等值反向的第三电流信号。
31.需要说明的是，在调零电路出现失调电压时，调理电路21和电磁平衡电路31处于同一电磁场，收到相同的电磁信号的反馈，此时电磁平衡电路31的电磁场可以忽略对研究的影响，因此不考虑电磁平衡电路31初始磁场；当调理电路21存在失调电压，电磁平衡电路31外加电源供电，电磁平衡电路31电势差改变，且可调电阻r2和温敏电阻r3阻值发生相应的变化，第二电流信号对调理电路21产生新的磁场，新的磁场在调理电路21中生成第三电流信号，由于新的磁场同初始磁场反向，因此第三电流和第一电流反向。
32.如图2所示，一种基于霍尔元件的调零电路还包括电磁产生电路41，与调理电路21和电磁平衡电路31连接，配置根据圆杆导体外接电源，在c型磁环周围产生电磁场，且电磁场为第一电磁场。
33.需要说明的是，电磁产生电路41通过外接预设电流导通圆柱导体，可以产生电磁场，然后通过c型磁环被电磁检验电路感应相应的电压。不过此处研究中，当外接的预设电流值为零时，由于电路通常会存在难以处理的参数，导致即使预设电流值为零，也存在磁场，进而能被霍尔元件11检测到。
34.在其中一个实施例中，霍尔元件11呈方体对称结构，对称设置在c型磁环开口等间距中心处，形成与c型磁环上下无接触电磁感应结构，配置为隔离检测第一电磁场的电磁信号。
35.优选地，根据电压和磁场强度线性相关程度，研究选用线性型霍尔传感器作为电
磁检测电流的核心器件，具体采用开环式电流传感器，同时也可以根据研究需要增加绕组之间的连接采用闭环式电流传感器。
36.如图3所示，调理电路21包括：比较放大器、电源、第一绕组n1、第一电阻r1；比较放大器的正向输入端作为调理电路21的电压信号的输入端，与霍尔元件11连接，以接入电压信号；比较放大器的反向输入端作为调理电路21的基准电压信号输入端，以接入基准电压，配置为将电压信号与基准电压比较，根据比较结果输出第一电流信号；电源，与比较放大器连接，以接入第一电流信号，配置为稳定第一电流信号，且为电磁平衡电路31供电；第一绕组n1第一端，与电源连接，配置为导通第一电流信号；第一电阻r1第一端，与第一绕组n1第二端连接；第一电阻r1的第二端，与电源地连接。
37.需要说明的是，比较放大器的选用根据一般功能选用基础比较放大器，具体不做限制；同时根据研究需要可以在比较放大器之后连接具有滤波功能的设备，对经过比较和放大后的电压信号滤波处理，实现稳定跟踪电流信号的作用，具体不做限制。
38.如图4所示，电磁平衡电路31包括：可调电阻r2、温敏电阻r3、第二绕组n2；第二电组第一端作为电磁平衡电路31的正电压的输入端，与调理电路21的电源正极连接，以接入正电压，配置为根据实际电流值的变化，实现手动滑动调节电阻值；温敏电阻r3的第一端，与可调电阻r2的第二端连接，配置为根据电路温度值自动适配相应的阻值；第二绕组n2的第一端，与温敏电阻r3的第二端连接，配置为导通第二电流信号；第二绕组n2的第二端作为电磁平衡电流的负电压的输入端，与调理电路21的电源负极连接，以接入负电压。
39.具体地，研究中的可调电阻r2选用滑动变组器，具体包括接线柱、滑片、电阻丝、金属杆和瓷筒，配置根据初始磁场反馈信号配置多组预设定值，以控制第二电流大小不超过10ma。
40.具体地，研究中温敏电阻r3选用热敏电阻，优选负温度系数热敏电阻(ntc thermistor，即negative temperature coefficient thermistor)，配置为系数随温度升高而减小；同时还可以选择正温度系数热敏电阻(ptc thermistor，即positive temperature coefficient thermistor)，配置为系数随温度升高而增大；需要注意的是选用系数相反的热敏电阻需要经过相应的安装测试，并通过电路线性度的可视性选用。
41.在其中一个实施例中，电磁产生电路41包括：圆杆导体，圆杆导体固定于c型磁环的环心位置，配置为导通外部电流，并在c型磁环上产生电磁场；c型磁环，与第一绕组n1和第二绕组n2连接，配置为根据圆杆导体产生的电磁场的电磁信号改变第一绕组n1和第二绕组n2的磁场。
42.需要说明的是，圆杆导体可以一般导线或者具有较好导通功能的材料构成，具体不做限制。
43.在其中一个实施例中，第一绕组n1缠绕圈数为10n，n为正整数；第二绕组n2缠绕圈数为n，n为正整数；第一绕组n1和第二绕组n2绕制方向一致。
44.需要说明的是，第一绕组n1线n起反馈作用，具体为反馈线圈；第二绕组n2线n2起平衡作用，具体为磁平衡线圈；且两绕组线圈比为n1：n2＝10；优选地绕组线均采用φ0.05的漆包铜线材质，具有良好导电性和低损耗地作用。
45.其中，第一绕组n1线圈和第二绕组n2线圈一起绕制在磁心的外壳上，绕制方一致，且绕制方向可以根据磁场方向即时调整。
46.在其中一个实施例中，电源包括；第一场效应管、第二场效应管；第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极连接，配置为电源接入第一电流信号的输入端；第一场效应管的漏极接入正电压；第二场效应管的源极接入负电压；第一场效应管的源极和第二场效应管的漏极连接，作为第一电流信号的输出端，配置为稳定的持续跟踪放大第一电流信号。
47.需要说明的是，经过比较放大器处理的第一电流信号可能还有杂波信号，此时可以根据研究需要连接滤波器，处理相应的杂波信号。
48.以下结合工作原理对图3至图5所示作进一步说明：
49.电磁产生电路41选用一般导线作为圆杆导体，并固定于c型磁环的环心位置，连接外部电流，在c型磁环上产生电磁场；其中c型磁环，与第一绕组n1和第二绕组n2连接，根据圆杆导体产生的电磁场的电磁信号改变第一绕组n1和第二绕组n2的磁场。
50.当圆杆导体外接的预设电流值为零时，由于电路通常会存在难以处理的参数，导致即使预设电流值为零，也存在磁场，进而电磁场能被霍尔元件11检测到。
51.进一步的，霍尔元件11通过磁电效应在对电磁场电磁信号采样，不接触相关电路只通过感应电磁场即可实现采样，以输出电压信号至调理电路21的输入端。
52.进一步的，比较放大器的正向输入端作为调理电路21的电压信号的输入端，以接入电压信号；比较放大器的反向输入端作为调理电路21的基准电压信号输入端，与基准电压连接，以接入基准电压，配置将电压信号与基准电压比较，根据比较结果输出第一电流信号；
53.进一步的，第一信号经过电源，电源通过并联的两个场效应管稳定第一电流信号，且外加电压为电磁平衡电路31供电；
54.进一步的，第一电流信号流经第一绕组n1、第一电阻r1至电源地，形成完整的回路，并根据r＝i/u计算调理电路21第一电流i1的电流值。
55.同时，电磁平衡电路31根据电源、可调电阻r2、温敏电阻r3和第二绕组n2形成完整回路，产生的第二电流信号i2形成反向的电磁场，以输出电磁控制信号，控制调理电路21的电磁场，并在调理电路21中生成第三电流i3，使第三电流i3与第一电流i1抵消，实现零点调节。
56.本发明实施例的第二方面提供了一种包括上述基于霍尔元件的调零电路。
57.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，包括：霍尔元件，所述霍尔元件设置在c形磁环的开口处，配置为检测外部电流感应磁场，并生成霍尔电压信号；反馈线圈，设于所述c形磁环的第一端；磁平衡线圈，设于所述c型磁环的第二端，其中，所述磁平衡线圈与所述反馈线圈相对设置；调理电路，与所述霍尔元件和所述反馈线圈连接，配置为将所述霍尔电压信号比较放大处理生成第一电流信号；其中，所述第一电流信号流过所述反馈线圈，以形成第一电磁场；电流调节电路，与所述调理电路和所述磁平衡线圈连接，配置为根据所述调理电路提供的电压信号调节所述磁平衡线圈中流过的电流，以使所述反馈线圈产生的磁动势与所述磁平衡线圈产生的磁动势相等；其中，所述反馈线圈产生的感应磁场的方向与所述磁平衡线圈产生的感应磁场的方向相反。2.如权利要求1的所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，还包括电磁产生电路，与所述调理电路和电磁平衡电路连接，配置根据圆杆导体外接电源，在聚磁环周围产生电磁场，且所述电磁场为所述第一电磁场。3.如权利要求1的所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，所述霍尔元件呈方体对称结构，对称设置在c型磁环开口等间距中心处，形成与所述c型磁环上下无接触电磁感应结构。4.如权利要求1的所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，所述调理电路包括：比较放大器、电源、第一绕组、第一电阻；所述比较放大器的正向输入端作为所述调理电路的电压信号的输入端，与所述霍尔元件连接，以接入所述电压信号；所述比较放大器的反向输入端作为所述调理电路的基准电压信号输入端，以接入基准电压，配置为将所述电压信号与基准电压比较，根据比较结果输出所述第一电流信号；所述电源，与所述比较放大器连接，以接入所述第一电流信号，配置为稳定所述第一电流信号，且为所述电磁平衡电路供电；所述第一绕组第一端，与所述电源连接，配置为导通所述第一电流信号；所述第一电阻第一端，与所述第一绕组第二端连接；所述第一电阻的第二端，与电源地连接。5.如权利要求1至4任意一项的所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，所述电流调节包括：可调电阻，所述可调电阻的第一端连接，所述可调电阻的第二端连接。6.如权利要求5所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，所述电流调节还包括：温敏电阻，所述温敏电阻的第一端，与所述可调电阻的第二端连接，配置为根据电路温度值自动适配相应的阻值；所述温敏电阻的第二端，与所述第二绕组的第一端连接。7.如权利要求2的所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，所述电磁产生电路包括：圆杆导体，所述圆杆导体固定于所述聚磁环的环心位置，配置为导通外部电流，并在聚
磁环上产生电磁场；聚磁环，与所述第一绕组和所述第二绕组连接，配置为根据圆杆导体产生的电磁场的电磁信号改变所述第一绕组和第二绕组的磁场。8.如权利要求4至5任意一项的所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，所述反馈线圈的匝数为所述磁平衡线圈的匝数的10倍。9.如权利要求4的所述基于霍尔元件的调零电路，其特征在于，所述电源包括；第一场效应管、第二场效应管；所述第一场效应管的栅极和所述第二场效应管的栅极连接，配置为所述电源接入所述第一电流信号的输入端；所述第一场效应管的漏极接入正电压；所述第二场效应管的源极接入负电压；所述第一场效应管的源极和所述第二场效应管的漏极连接，作为所述第一电流信号的输出端，配置为稳定的持续跟踪所述第一电流信号。10.一种电流传感器，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项的基于霍尔元件的调零电路。

技术总结

一种基于霍尔元件的调零电路及电流传感器，本发明属于电磁感应技术领域，通过霍尔元件，检测外部电流感应磁场，并生成霍尔电压信号；反馈线圈，设于C形磁环的第一端；磁平衡线圈，设于C型磁环的第二端，其中，磁平衡线圈与反馈线圈相对设置；调理电路，将霍尔电压信号比较放大处理生成第一电流信号；其中，第一电流信号流过反馈线圈，以形成第一电磁场；电流调节电路，根据调理电路提供的电压信号调节磁平衡线圈中流过的电流，以使反馈线圈产生的磁动势与磁平衡线圈产生的磁动势相等；其中，反馈线圈产生的感应磁场的方向与磁平衡线圈产生的感应磁场的方向相反；提升电流的线性度，实现隔离传感和高精度传感。实现隔离传感和高精度传感。实现隔离传感和高精度传感。