漏电流传感器.pdf

本发明公开了漏电流传感器，包括磁性传感器芯片、聚磁环和屏蔽环；所述聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，聚磁环的内部穿有电流流向相反的电流导线；所述磁性传感器芯片位于所述聚磁环的气隙内，用来测量聚磁环的气隙处汇聚的磁场场强并输出信号；所述屏蔽环设置在聚磁环与电流导线之间。本发明还包括放大电路单元和滤波电路单元，磁性传感器芯片的输出信号依次经放大电路单元放大、滤波电路单元滤波。还包括包覆磁性传感器芯片、聚磁环、屏蔽环的屏蔽外壳。本发明的漏电流传感器可以精确测量包含直流分量的交流供电的漏电电流，同时该传感器克服了采用气隙式聚磁环带来的误判现象，且可以在具有震动干扰的环境下工作。

权利要求书
1.  漏电流传感器，其特征在于，包括磁性传感器芯片、聚磁环和屏蔽环；所述聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，聚磁环的内部穿有电流流向相反的电流导线；所述磁性传感器芯片位于所述聚磁环的气隙内，用来测量聚磁环的气隙处汇聚的磁场场强并输出信号；所述屏蔽环设置在聚磁环与电流导线之间。

2.  如权利要求1所述的漏电流传感器，其特征在于，所述屏蔽环为金属材料。

3.  如权利要求1所述的漏电流传感器，其特征在于，还包括放大电路单元和滤波电路单元，磁性传感器芯片的输出信号依次经放大电路单元放大、滤波电路单元滤波。

4.  如权利要求1所述的漏电流传感器，其特征在于，所述磁性传感器芯片由磁性传感元件构成，所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。

5.  如权利要求1所述的漏电流传感器，其特征在于，所述聚磁环上缠绕有消磁线圈。

6.  如权利要求1-5中任意一项所述的漏电流传感器，其特征在于，还包括包覆磁性传感器芯片、聚磁环、屏蔽环的屏蔽外壳，所述屏蔽外壳为金属材料。

7.  如权利要求1-5中任意一项所述的漏电流传感器，其特征在于，所述磁性传感器芯片为单电阻、半桥或全桥结构。

说明书漏电流传感器
技术领域
本发明涉及电流传感器领域，特别是漏电流传感器。
背景技术
目前主流的漏电流测量采用的是互感器，互感器由闭合磁芯和线圈构成，采用互感器检测漏电流的漏电断路保护器的工作方式是：同一回路的两根导线穿过磁芯内部，由于每根导线上的电流大小相等，方向相反，所以，其总的电流矢量和为零，当发生漏电时，由于回路有了分支，因此穿过互感器磁芯的电流矢量和不再等于零，互感器次级有感应电势产生，从而推动执行机构跳开主回路，起到保护作用。采用闭合磁芯的互感器在测量漏电流时有一个缺陷，那就是在直流分量作用下磁导率会迅速下降而饱和，采样值随之迅速降低，从而出现误判，错判现象，进而对家居、工业以及医疗等领域的用电安全带来极大的隐患。
中国公开号CN102004203A的专利：一种漏电流检测装置披露了一种采用带有气隙的聚磁环和磁阻式传感器测量漏电流的传感器，采用该传感器测量漏电流有效地解决了上述问题，但是新的问题随之而来，穿过磁芯内部的电流矢量和往往并不为零，尤其是在具有一定震动的用电环境中，使得即便回路没有漏电，两根导线电流的合矢量不为零，采用互感器测量漏电流时由于其采用闭合磁芯，因此可以抵消流合矢量不为零的干扰现象，但是用磁阻式传感器采用的是带气隙的聚磁环，使得误判几率增加。
不难看出，现有的互感器式漏电断路器的测量漏电流的方式无法完成对含有直流分量的交流负载的漏电状况进行精确有效的测量和保护，而磁阻式漏电流传感器由于采用带有气隙的聚磁环，因此具有误判现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供漏电流传感器，该漏电流传感器可以精确测量包含直流分量的交流供电的漏电电流，同时该传感器克服了采用气隙式聚磁环带来的误判现象，且可以在具有震动干扰的环境下工作。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的漏电流传感器，包括磁性传感器芯片、聚磁环和屏蔽环；所述聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，聚磁环的内部穿有电流流向相反的电流导线；所述磁性传感器芯片位于所述聚磁环的气隙内，用来测量聚磁环的气隙处汇聚的磁场场强并输出信号；所述屏蔽环设置在聚磁环与电流导线之间。
作为本发明所述的漏电流传感器进一步优化方案，所述屏蔽环为金属材料。
作为本发明所述的漏电流传感器进一步优化方案，还包括放大电路单元和滤波电路单元，磁性传感器芯片的输出信号依次经放大电路单元放大、滤波电路单元滤波。
作为本发明所述的漏电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感器芯片由磁性传感元件构成，所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。
作为本发明所述的漏电流传感器进一步优化方案，所述聚磁环上缠绕有消磁线圈。
作为本发明所述的漏电流传感器进一步优化方案，还包括包覆磁性传感器芯片、聚磁环、屏蔽环的屏蔽外壳，所述屏蔽外壳为金属材料。
作为本发明所述的漏电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感器芯片为单电阻、半桥或全桥结构。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的漏电流传感器可以精确测量包含直流分量的交流供电的漏电电流，同时该传感器可以在抖动干扰的环境下工作。
附图说明
图1是本发明提出的漏电流传感器的结构示意图。
图2是磁性传感器芯片的输出曲线示意图。
图中的附图标记解释为：11-磁性传感器芯片，12-聚磁环，13-屏蔽环，14-电流进的导线，15-电流出的导线，17-屏蔽外壳，21-扰动磁场，31-流经电流进的导线的电流值I1，32-流经电流出的导线的电流值I2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明提出的漏电流传感器的结构示意图，本发明提出的漏电流传感器包括磁性传感器芯片11、聚磁环12、屏蔽环13以及电路（图中未标示）。聚磁环12是带有气隙的金属环，电流进的导线14、电流出的导线15均穿过聚磁环12的内部，聚磁环用于将磁场汇集至气隙处；磁性传感器芯片11位于聚磁环12的气隙处，是用来测量聚磁环的气隙处汇聚的磁场场强并输出信号。若没有漏电发生，则流经电流进的导线的电流值I131、流经电流出的导线的电流值I232相等且方向相反，则在电流进的导线14、电流出的导线15的附近产生的合磁场可近似为零，因此聚磁环12不会产生感生磁场，磁性传感器芯片11的输出为零。若有漏电现象，则流经电流进的导线的电流值I1和流经电流出的导线的电流值I2不等，聚磁环12将电流进的导线14、电流出的导线15附近产生的合磁场汇集至气隙处，磁性传感芯片11感应到该磁场，进而产生输出。
由于采用带气隙的聚磁环结构，在直流分量的作用下，聚磁环的磁导率不会迅速衰减，其饱和场相比于闭合磁环要高得多，但是由此带来新的问题是，穿过磁芯内部的电流矢量和往往并不为零，使得即便回路没有漏电，两根导线电流的合矢量也不为零，采用互感器测量漏电流时由于其采用闭合磁芯，因此可以抵消电流合矢量不为零的干扰现象，但是如果采用的是带气隙的聚磁环，则会使误判几率增加。
针对上述问题，本发明提出的解决方案是在电流进的导线14、电流出的导线15附近的位置设置一屏蔽环13。屏蔽环13为一闭合环状结构，设置在聚磁环与电流导线之间，采用高磁导率的金属材料制成。由于磁屏蔽原理，因为抖动产生的扰动磁场21会优先穿过屏蔽环13，因此漏电传感器不会因此产生误判现象。若发生漏电现象，则电流进的导线14、电流出的导线15周围产生的合磁场只有在屏蔽环13附近被部分屏蔽，由于屏蔽环13是具有一定厚度的，不会将所有磁场屏蔽，因此大部分依然会被聚磁环12汇聚到气隙处，由磁性传感器芯片11完成测量。
上述实例采用的是两相交流电，若测量的是三相交流电，则聚磁环12和屏蔽环13内穿过的是三相交流电中的四根导线。
为了降低磁滞，聚磁环12可缠绕一定匝数的线圈接入电路，电路的作用是为磁性传感器芯片11导入工作电流以及信号输出，电路包括放大电路单元和滤波电路单元，磁性传感器芯片的输出信号依次经放大电路单元放大、滤波电路单元滤波后导入系统可供使用。所述放大电路单元和滤波电路单元与所述磁性传感器芯片电连接，用以导入工作电流和信号输出。电路和磁性传感器芯片11可设置于一个印刷线路板上，也可以集成在一个芯片上。
为了避免外部的电流和磁场的干扰，所述漏磁场传感器还包括一个屏蔽外壳17，该屏蔽外壳17为金属材料，将磁性传感器芯片11、聚磁环12、屏蔽环13以及电路包覆其中。
所述磁性传感器芯片11由磁性传感元件构成，磁性传感元件可选用饱和场较大且精度很高的巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。巨磁电阻元件和磁性隧道结元件是一种阻值随外磁场变化而变化的磁电阻元件，通过现有的技术磁电阻元件的R-H（阻值-外磁场）曲线具有低磁滞，高饱和场和宽线性范围的特性，相对于传统的磁性传感元件如电感线圈和霍尔元件具有更高的精度和更好的温度特性，相比于各向异性磁电阻元件具有更高的饱和场，其作为漏电传感器的敏感元件是最理想的。
磁性传感器芯片11可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂可以将之等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。其中，半桥或全桥结构为最优的选择，其输出曲线如图2所示是磁性传感器芯片的输出曲线示意图，其中，VMAX+和VMAX-为最大输出值，HS为饱和场，其工作区域为输出曲线的线性区域。
巨磁电阻元件以及磁性隧道元件的结构图和工作原理，以及磁性传感器芯片的具体工作方式可参考公开号为CN103645369A的中国专利：一种电流传感装置。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明的说明书的基础上可以对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发明各实施例技术方案的精神和范围。