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目前国际上主流的电流传感器技术由于在结构设计存在缺陷,从而导致许多不足,如精度不高、易受环境温度影响等;同时国内磁传感器技术落后于国外先进技术,不能满足国内市场对高性能磁传感器的迫切需求。基于以上背景,本文开展了电流磁传感器研究。论文对影响二类霍尔电流传感器(开环和闭环)性能指标相关因素进行了系统地理论分析和实验研究,并对这两类传感器的结构进行了优化设计。测试结果表明,优化后的霍尔电流传感器实现了良好的性能。主要内容如下: (1)霍尔效应闭环电流传感器的结构优化设计。结构优化主要内容包括铁芯材料的选择、铁芯形状和尺寸的确定、铁芯中气隙的大小与位置的确定、PCB板上主要元器件的合理安装位置确定等。在初级线圈额定电流为50A、被测导体的截面8 mm×6 mm的应用条件下,得到的铁芯优化结构如下:用于安放霍尔元件的气隙的位置设定在铁芯的一条长边上,气隙的宽度为2 mm,铁芯的外形轮廓尺寸为32 mm×21 mm×2.1 mm,铁芯的横截面积为4mm×2.1 mm。坡莫合金被选为传感器铁芯的理想材料。与传统同类传感器相比,所设计的电流传感器有较好的性能:线性度不小于0.3%FS(Full Scale满量程),精度要优于±0.5%FS,零点失调电流在±0.3 mA以内,偏置电流漂移介于-0.2mA至+0.2 mA之间。 (2)为了消除闭环霍尔电流传感器频率特性中常常会出现的台阶现象,本文提出了一种新型的双铁芯结构传感器结构。借助于仿真工具ANSYS和实验方法确定双铁芯的结构及材料。根据仿真和计算结果获悉,当测试电流小于100A,交流铁芯的厚度约0.7mm(即单片磁芯薄片厚度为0.35mm需二片)。电流传感器双铁芯结构模式的性能显然要好于单铁芯结构模式。 (3)一种新颖的开环线性差分霍尔电流传感器解决方案被提出来,其输出特性和温度特性也被详细研究。借助于有限元仿真计算方法,探索了这种差分式模式的可行性。基于双霍尔理论,一个实用的开环电流传感器电路设计并制作出来。实验结果表明,这种模式可以大大减少静态输出电压,输出电压幅度值可提高到100%,灵敏度可达46 mV/A,线性度为0.99% FS,零点温漂为0.033 mV/℃。如果采用双霍尔双铁芯模式方案,传感器的线性度可达0.85%FS。 (4)针对传统霍尔电流传感器结构中由于带有铁芯、线圈及骨架,而导致的结构复杂、尺寸增大等问题,本文研究和分析了两种无芯霍尔效应电流传感器:四霍尔模式和八霍尔模式。并对影响这种无芯阵列式开环电流传感器测量误差的因子---载流导体形状和位置变化进行了详细地理论研究和分析。实验结果表明:八霍尔模式电流传感器性能指标要优于四霍尔模式,从工程应用实际出发,八霍尔阵列模式基本上满足中小电流测量的要求。