汽车检测用钳形电流传感器的设计

　　0　引言

　　随着电子技术在汽车上的应用,汽车的电子化程度越来越高,汽车电气系统故障率也相对增加;同时,随着人们生活水平的不断提高,汽车已经越来越普及,汽车的保有量逐年提高。因而,针对汽车电气系统的故障检测设备的需求也越来越大,其中对于发动机启动和工作时的电流的检测是一项重要的检测项目,为了更加方便快捷地进行故障的检测和排除,设计制造了汽车检测用钳形电流传感器。该传感器根据霍尔效应原理中的磁强计式(直检式)测量方案设计,采用了双气隙双元件结构,有效地降低了传感器的非线性误差和位置误差,抗干扰能力较强,具有较高的工作稳定性和较低的温度漂移。

　　1　传感器的工作原理

　　钳形电流传感器由霍尔元件、软磁材料制成的有气隙的磁路及适当的信号处理电路组成。传感器是采用霍尔效应原理中的磁强计原理设计的,其工作原理图如图1所示。由电磁学可知,载有电流I的导线周围有围绕该导线的磁场B存在,磁场的方向用右手定则判断,磁场强弱与导线中的电流大小有对应关系。可用安培定律描述,即:沿半径为r的圆围绕导线一周进行积分,则:B·2πr=μI,B=μI/(2πr)。所以,可以通过测量该电流产生的磁感应强度沿某一闭合回路的线积分,也可简化为通过测量被测电流所产生的磁场在某一点的磁感应强度来实现。

　　霍尔元件是检测电流在环状磁路中产生磁场的较为合适的磁敏传感元件。如图1(a)所示,在环状磁路中开一个气隙,装入霍尔元件,通过测量该元件产生的霍尔电压,即可检测出磁感应强度。但是,从电磁学的毕奥·萨伐尔定律的数学表达式dB=μIdsinθ/(4πr2)可知,载流导体中电流在周围产生的磁场的磁感应强度与离开导线距离的平方成反比。所以,被测电流的载流导体在磁路环中移动位置时,因距离气隙远近不同,在气隙处产生的磁感应强度的大小也不同,使得磁路内自气隙处漏泄出的磁力线多少也不同。此外,当被测电流导线在磁路环中不同位置时,被集束到磁路中的磁力线传输到霍尔元件处的磁路长短不同,致使在霍尔元件处的磁位降落程度也不同。因而,导致磁路内磁感应强度大小随被测电流大小变化的同时,在一定程度上也随导线在环中位置不同而变化。当导线在环中距有霍尔元件的气隙最近时,传感器输出最大值;反之,输出最小值。当导线在环的中心位置时,传感器输出值,介于最大、最小值之间,便产生了位置误差。采用对称双气隙磁路结构,每个气缝中各安装一只霍尔元件的办法,可以有效地减小位置误差。在传感器装调时,调整图中1(b)中R1、R2的值,使载流导体在分别最靠近两个气隙时,均有相同的霍尔电压输出,即可消除该位置误差。