專利名稱：自動(dòng)調(diào)零的電流檢測(cè)元件的制作方法
一般說(shuō)來(lái)，本發(fā)明涉及導(dǎo)體中的檢測(cè)電路，更特別涉及在電流傳感器中使用的檢測(cè)元件。
許多電氣和電子設(shè)備包括檢測(cè)半導(dǎo)體中電流的電流傳感器。例如在至少一個(gè)已經(jīng)公開(kāi)的電壓表中，為了檢測(cè)一個(gè)流動(dòng)著一個(gè)輸入電流Iin的線性導(dǎo)體中的電流，提供了一個(gè)電流傳感器。一個(gè)分流器將輸入電流Iin分為兩個(gè)電流I1和I2，這兩個(gè)電流分別流過(guò)電阻R1和R2。一個(gè)電流比較器檢測(cè)輸入電流I2，并且提供一個(gè)與輸入電流Iin成正比的成比例的出電流Iout，但是大部分幅度都低于輸入電流Iin的幅度。
一個(gè)已經(jīng)公開(kāi)的電流比較器包括變流器，這個(gè)變流器具有一個(gè)磁性材料的芯、一個(gè)單匝初級(jí)繞組和第一個(gè)和第二個(gè)次級(jí)繞組，這兩個(gè)次級(jí)繞組有時(shí)被稱作檢測(cè)繞組和反饋繞組。每一個(gè)繞組都有許多匝直徑微小的線，這些線均勻環(huán)繞著磁芯。磁芯圍繞著傳送電流I2的電阻R2。在工作時(shí)，電流比較器的變壓器磁芯中，感應(yīng)出一個(gè)來(lái)自電阻R2并且由電流I2產(chǎn)生的交變的磁通量。因此在變壓器的第一個(gè)次級(jí)繞組或檢測(cè)繞組中感應(yīng)出一個(gè)電壓。來(lái)自檢測(cè)繞組的信號(hào)被提供給一個(gè)高增益差分放大器，并且將放大器的輸出提供給反饋繞組。在反饋繞組中的電流是一個(gè)成比例的電流輸出Iout。為了在磁芯中感應(yīng)出一個(gè)補(bǔ)償磁通量，配置了反饋繞組，這樣降低了磁芯中的交變磁通量，使它趨于零。電流變換器和放大器動(dòng)態(tài)地工作，以便于磁芯中的交變磁通量保持在接近于零十分低的值。因此，通過(guò)從在反饋繞組中的電流Iout得出的磁化安培匝數(shù)，平衡從在單匝初級(jí)繞組(由電阻R2形成的)所測(cè)量的或者所檢測(cè)的電流I2中得出的磁化安培匝數(shù)。這種形式的電流傳感器有時(shí)被稱作自動(dòng)調(diào)零的環(huán)形電流傳感器。特別的是電流比較器磁芯的形狀是環(huán)形的，次級(jí)繞組是環(huán)形繞組，并且磁芯中的交變磁通量保持接近于零值。盡管這種公開(kāi)的傳感器提供了可接受的結(jié)果，但它是相當(dāng)復(fù)雜和昂貴的。
根據(jù)本發(fā)明，提供一個(gè)電流傳感器，這個(gè)傳感器在一個(gè)實(shí)施例中包括一個(gè)C形磁芯和一個(gè)電流檢測(cè)元件。一個(gè)載流導(dǎo)體例如一個(gè)導(dǎo)體穿過(guò)磁芯，并且基本上和磁芯中心軸線同軸。磁芯末端被一條縫隙分開(kāi)。
電流檢測(cè)元件包括一個(gè)在電路板上形成的偏置線圈導(dǎo)體，粘在C形磁芯的一條腿上，因此它在相應(yīng)C形磁芯的末端間穿過(guò)。相對(duì)于縫隙安排檢測(cè)元件的位置，使載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)被放大，并且如下所說(shuō)明的使它適應(yīng)影響檢測(cè)元件。
在一種形式中，檢測(cè)元件進(jìn)一步包括一個(gè)微型共振元件，該元件具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)模式和一個(gè)經(jīng)過(guò)偏置線圈導(dǎo)體傳送偏置電流的偏置電流源。為了控制偏置電流源，耦合一個(gè)控制處理器，這個(gè)控制處理器耦合到微型共振元件，例如通過(guò)容性耦合?？刂铺幚砥骺刂破秒娏髟吹臓顟B(tài)并接收表示微型共振元件共振頻率的信號(hào)。
當(dāng)在偏置線圈導(dǎo)體中不存在偏置電流時(shí)，載流導(dǎo)體中的電流導(dǎo)致微型共振元件在標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率f0上振蕩。偏置線圈導(dǎo)體中的偏置電流產(chǎn)生一個(gè)偏置磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)和載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生一個(gè)作用在微型共振元件上的強(qiáng)制力。因此，元件的振蕩頻率從頻率f0改變到頻率f。
通過(guò)控制偏置電流源狀態(tài)的方法，控制處理器確定頻率f和f0。然后，控制處理器使用這些頻率的比率如f/f0確定載流導(dǎo)體中的電流幅度。準(zhǔn)確的說(shuō)，載流載體中的電流和偏置線圈導(dǎo)體中的偏置電流間的比率直接和標(biāo)準(zhǔn)化的頻率比f(wàn)/f0成比例。既然已知偏置電流幅度，那么可以確定載流導(dǎo)體中的電流幅度。
本發(fā)明的電流傳感器自動(dòng)調(diào)零，其中利用頻率比f(wàn)/f0，基本上自動(dòng)消除了外部條件如溫度的影響。準(zhǔn)確的說(shuō)，當(dāng)微型共振元件在頻率f上振蕩時(shí)，外部條件如溫度象這樣的元件在頻率f0上振蕩時(shí)一樣對(duì)傳感器具有同樣的影響。因此標(biāo)準(zhǔn)化的頻率比基本上相互抵消了這樣的影響，也就是說(shuō)影響大約具有一比一的比率，這樣有利于精確的電流檢測(cè)。
通過(guò)控制偏置電流幅度的方法，控制上述電流傳感器的范圍。例如，如果檢測(cè)到一個(gè)低幅度電流，那么選擇的偏置電流應(yīng)該高。偏置電流幅度增加導(dǎo)致電流傳感器靈敏度或者范圍增加。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的控制偏置電流幅度的方法，控制處理器控制傳感器的范圍。這樣的結(jié)構(gòu)有利于自動(dòng)調(diào)整范圍，也就是說(shuō)基于被檢測(cè)電流幅度自動(dòng)調(diào)整電流傳感器范圍，因?yàn)楦鶕?jù)被檢測(cè)到的電流幅度可以容易地調(diào)整偏置電流幅度。
就對(duì)被檢測(cè)電流幅度提供一個(gè)精確測(cè)量來(lái)看，本發(fā)明的電路傳感器也可以是非常專門(mén)的。詳細(xì)的講，通過(guò)比率f/f0基本上抵消了外部磁場(chǎng)的影響，因?yàn)槿缟纤鏊鼈儗?duì)頻率f和f0影響基本上相同。因此，基本上消除了不僅僅涉及載流導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響。
本發(fā)明的電流傳感器不需要分流裝置并不使用環(huán)行繞組，因此相信制造這種傳感器將比已經(jīng)公開(kāi)的電流傳感器更容易。


圖1是已知的電流傳感器的簡(jiǎn)化電路圖。
圖2根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電流傳感器的簡(jiǎn)化電路圖。
圖3在圖2中所示的電流傳感器的分解的部分透視圖。
圖4根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)光纜和一個(gè)電流傳感器的部分透視圖。
圖1說(shuō)明一個(gè)已經(jīng)公開(kāi)電流傳感器10，這個(gè)傳感器包括一個(gè)分流器，一般如12所示。分流器12包括第一個(gè)載流元件14，表示為一個(gè)具有一個(gè)歐姆值R1的分流電阻，和第二個(gè)載流元件16，表示為一個(gè)具有一個(gè)歐姆值R2的測(cè)量電阻。電阻14和16并聯(lián)連接到節(jié)點(diǎn)18和20。
傳感器10還包括一個(gè)電流比較器22，表示為環(huán)形電流變換器，這種變換器包括一個(gè)磁性材料的芯24和分別包括第一個(gè)和第二個(gè)繞組26和28。繞組26和28都有許多匝N直徑微小的線，這些線均勻環(huán)繞磁芯24。磁芯24圍繞著電阻16，并且電阻16作為電流比較器22的一個(gè)單匝初級(jí)繞組。
一個(gè)被測(cè)量的交變電流Iin被分為分流電阻14中的電流I1和測(cè)量電阻16中的電流I2。這提供了第一級(jí)別的輸入電流Iin，并且通過(guò)I2＝Iin/K (1)給出電流I2，其中K＝R2/R1+1電流比較器22通過(guò)檢測(cè)電阻16中的電流I2提供與輸入電流Iin成比例的第二級(jí)別，并且提供一個(gè)幅度與輸入電流Iin成比例但是平均幅度小于輸入電流Iin的輸出電流或信號(hào)Iout，更詳細(xì)地講，在環(huán)行電流變換器22中，在磁芯24中感應(yīng)出一個(gè)來(lái)自電阻16的一個(gè)交變磁通量。磁芯24中的次級(jí)繞組26檢測(cè)到磁芯24中的這個(gè)交變磁通量，導(dǎo)致在繞組26中一個(gè)感應(yīng)電壓，這個(gè)感應(yīng)電壓構(gòu)成一個(gè)輸入信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)導(dǎo)體30和32到達(dá)一個(gè)高增益差分放大器34的負(fù)(-)和正(+)輸入端。
放大器34的一個(gè)輸出端36被耦合到補(bǔ)償或反饋繞組28的一端。放大器34的輸出信號(hào)提供一個(gè)輸出電流Iout，該電流通過(guò)線圈28提供給一個(gè)輸出端40。通過(guò)繞組28的電流的方向?qū)е乱粋€(gè)從線圈28進(jìn)入磁芯24的補(bǔ)償磁通量，用來(lái)降低磁芯24中的交變磁通量，使之趨于零，也就是說(shuō)傳感器10自動(dòng)調(diào)零。為了將磁芯24中的交變磁通量保持在一個(gè)接近于零的十分低的值上，環(huán)行電流變換器22和放大器34自動(dòng)工作。因此，通過(guò)N匝次級(jí)繞組中電流Iout造成的磁化安培匝數(shù)平衡磁芯24的單匝初級(jí)繞組(由16形成)中電流I2造成的磁化安培匝數(shù)。既然變換器安培匝數(shù)相等的或者是平衡的，那么N*Iout＝Iin*1，和 (2a)Iout＝I2/N根據(jù)方程式(1)Iout＝Iin/K*N。
電流傳感器10的這樣的輸出電流Iout是輸入電流Iin的一個(gè)成比例的變形，其中最終比例因數(shù)是兩個(gè)獨(dú)立比例因數(shù)的產(chǎn)物，通過(guò)電阻(K)的比例和輸出或次級(jí)線圈28中的匝數(shù)N確定這兩個(gè)獨(dú)立比例因數(shù)。典型設(shè)置電流傳感器10，使之接收來(lái)自一個(gè)線性導(dǎo)體42的輸入電流Iin，并且總電流I1+I2從傳感器10通過(guò)導(dǎo)體44傳送到負(fù)載，例如電阻或生產(chǎn)地。
盡管傳感器10提供可接受的結(jié)果，但是需要專門(mén)加工磁芯24上的繞組26和28，而這是昂貴的。另外，分流器(或分流)12增加了組裝傳感器10的復(fù)雜性。最理想的是刪除線圈26和28以及分流器12。
圖2是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電流傳感器50的簡(jiǎn)圖。傳感器50沒(méi)有繞組和分流器，而在傳感器10中這些是需要的，并且被認(rèn)為提供了如易于制造并且相當(dāng)?shù)偷膬r(jià)格的重要優(yōu)勢(shì)。另外，傳感器50自動(dòng)調(diào)零并且自動(dòng)調(diào)整，這些功能有利于高精確的電流檢測(cè)。
電流傳感器50包括一個(gè)基本上是C形的磁芯52，這個(gè)磁芯具有一個(gè)導(dǎo)體縫隙54和一個(gè)電路檢測(cè)元件56。載流導(dǎo)體58例如一個(gè)導(dǎo)體條穿過(guò)導(dǎo)體縫隙54，結(jié)果它基本上被磁芯52圍繞。磁芯52另外分別包括第一個(gè)和第二個(gè)端60和62，縫隙64位于這兩個(gè)端之間。電流檢測(cè)元件56位于貼近縫隙64也就是說(shuō)臨近縫隙或在縫隙之間，因此載流導(dǎo)體58產(chǎn)生的磁場(chǎng)被放大并且通過(guò)磁芯52面向檢測(cè)元件56。
在一種形式中，電流檢測(cè)元件56包括一個(gè)共振元件66(圖3)，一種當(dāng)受到外力例如磁場(chǎng)作用時(shí)共振或振蕩的材料構(gòu)成這個(gè)共振元件。例如在一個(gè)實(shí)施例中，微型共振元件66是一個(gè)晶體，該晶體被磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，在一個(gè)振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模式中振蕩或振蕩。在專業(yè)領(lǐng)域中，已經(jīng)公開(kāi)了這樣的晶體。
相對(duì)于縫隙64安排電流檢測(cè)元件56，使微型共振元件當(dāng)暴露在一個(gè)交變磁場(chǎng)時(shí)振蕩。一個(gè)振蕩傳感器(沒(méi)有表示)被容性地耦合到微型共振元件，并且產(chǎn)生表示微型共振元件振蕩頻率的信號(hào)?？梢詫z測(cè)元件56固定在印刷電路板(沒(méi)有顯示)上并且因此縫隙64被之支撐。例如電路板可以例如通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘附固定在C形磁芯52的一個(gè)臂上，因此電路板穿過(guò)縫隙64。
在一個(gè)示范的實(shí)施例中，圖3中所示的微型共振元件66，可以是一個(gè)微型懸臂或一個(gè)微型橋，它們被以一個(gè)傳統(tǒng)的集成電路封裝形式封裝，這種形式是眾所周知的。微型共振元件66包括一個(gè)偏置表面68，在這個(gè)偏置表面上固定一個(gè)偏置線圈70。可以直接在表面68上構(gòu)成偏置線圈70，例如通過(guò)公開(kāi)的氣相沉積或光刻技術(shù)形成該偏置線圈，并且選擇的傳送由偏置交變電流源72提供的一個(gè)偏置電流Ibias。當(dāng)在線圈70中出現(xiàn)偏置電流Ibias時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)交變偏置磁通量Bbias。
微型共振元件66此外包括分別第一個(gè)和第二個(gè)部分74和76。如圖所示，偏置線圈穿過(guò)第一部分74中的A區(qū)并且穿過(guò)第二部分76中的B區(qū)。一般的用陰影顯示A區(qū)和B區(qū)。第一個(gè)部分大過(guò)第二部分的原因是由于在A區(qū)和B區(qū)不同的材料厚度。由于A區(qū)和B區(qū)中交變磁通量產(chǎn)生的力，這將造成一個(gè)大的位移。因而因?yàn)椴煌娜犴樞?，微型共振元?6的凈行程是非零的。
在一個(gè)實(shí)施例中，控制處理器(沒(méi)有顯示)被耦合到電流源72，并且控制電流源的工作。此外，為了接收表示微型共振元件66的頻率的信號(hào)，例如通過(guò)電容耦合處理器被耦合到元件66。容性耦合技術(shù)是眾所周知的。
導(dǎo)體58(圖2)傳送將被電流傳感器50測(cè)量的一個(gè)輸入電流Iin。這個(gè)輸入電流產(chǎn)生一個(gè)磁通量Bin，通過(guò)磁芯52校正這個(gè)磁通量Bin方向和對(duì)之放大。一般的，通過(guò)確定在傳感器50上的影響來(lái)測(cè)量輸入電流Iin，這種影響是由在導(dǎo)體58和偏置線圈70的電磁場(chǎng)間的電磁力F造成的。這就是說(shuō)通過(guò)確定檢測(cè)元件56在初始狀態(tài)和修正狀態(tài)間的位移，測(cè)量輸入電流Iin，在初始狀態(tài)中，在偏置線圈中不存在偏置電流，在修正狀態(tài)中，在偏置線圈70中存在這偏置電流。
更詳細(xì)的講，偏置線圈70中，當(dāng)存在著或不存在著偏置電流時(shí)，確定微型共振元件66的振蕩頻率。當(dāng)在線圈70中不存在偏置電流時(shí)并且當(dāng)導(dǎo)體58中出現(xiàn)輸入電流Iin時(shí)，也就是說(shuō)電流檢測(cè)元件處于一個(gè)“初始狀態(tài)”時(shí)，微型共振元件在標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率f0上振蕩。隨著線圈70中的一個(gè)偏置電流，也就是說(shuō)電流檢測(cè)元件56處于“修正狀態(tài)”時(shí)，交變磁場(chǎng)Bbias和載流導(dǎo)體58的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一個(gè)力，這個(gè)力將微型共振元件66的振蕩頻率改變到一個(gè)修正的頻率f。通過(guò)控制偏置電流源72的狀態(tài)，控制處理器確定標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率f0和修正振蕩頻率。這個(gè)處理器使用這些確定的頻率產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的頻率，反過(guò)來(lái)，這還可以用作確定輸入頻率Iin。通過(guò)修正振蕩頻率f除以標(biāo)準(zhǔn)頻率f0也就是說(shuō)f/f0的方法獲得標(biāo)準(zhǔn)化的頻率。在示范的實(shí)施例中，電流Iin和偏置電流Ibais的比率直接和頻率比率f/f0成比例。既然偏置電流Ibias的幅度是已知的，那么可能確定電流Iin的幅度。
通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化的頻率，傳感器50自動(dòng)調(diào)零。更準(zhǔn)確的說(shuō)，當(dāng)Ibias＝0時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率獨(dú)立于由于涉及電流Ibias和Iin的磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生的外力。然而振蕩頻率f0依賴于周?chē)h(huán)境和其他環(huán)境因素。修正振蕩頻率f也依賴于這樣的環(huán)境因素。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化頻率比例f/f0，基本上補(bǔ)償了這樣的影響，也就是說(shuō)這樣的影響大概具有1∶1的比例，這提供了自動(dòng)調(diào)零或自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化。
在替換的實(shí)施例中，在傳感器50工作期間，無(wú)線電頻率(RF)源可以被用來(lái)產(chǎn)生微型共振元件66的振蕩，以便于有利于實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。既然RF信號(hào)基本上獨(dú)立于溫度和其他可能的外部條件，那么在電流傳感器測(cè)量中，使用一個(gè)RF源應(yīng)該不會(huì)引進(jìn)誤差。在專業(yè)領(lǐng)域中，RF信號(hào)發(fā)生器是眾所周知的。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)移動(dòng)微型共振元件66的幅度的方法，當(dāng)在共振上驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)元件56期間，可以確定在導(dǎo)體58和線圈70間的電磁力。如果缺少任何偏置電流，并且隨著導(dǎo)體58中的輸入電流Iin，那么微型共振元件68在幅度A0上振蕩。偏置電流Ibias的出現(xiàn)導(dǎo)致交變偏置磁場(chǎng)Bbias的出現(xiàn)，這個(gè)交變偏置磁場(chǎng)Bbias將振蕩幅度從A0移到一個(gè)修正振蕩幅度A。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流Iin的精確測(cè)量，以和標(biāo)準(zhǔn)化頻率相同的方式使用幅度A和A0的比率。幅度A和A0還提供自動(dòng)調(diào)零。標(biāo)準(zhǔn)振蕩幅度A0和修正振蕩幅度A兩個(gè)基本上都同樣被周?chē)鷾囟群推渌h(huán)境因素影響。因而使用比例A/A0基本上抵消了這種環(huán)境因素的影響并且提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、自動(dòng)調(diào)零的電流測(cè)量。
圖4說(shuō)明了一個(gè)光纜80和一個(gè)電流檢測(cè)元件82，它們用于本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中。正如傳感器50的情況一樣，檢測(cè)元件82被安置在緊鄰縫隙64(沒(méi)有在圖4中顯示)的位置上，以致于放大載流導(dǎo)體58產(chǎn)生的磁場(chǎng)并且該磁場(chǎng)通過(guò)磁芯52(圖2)直接朝向檢測(cè)元件82。檢測(cè)元件82包括一個(gè)基本上是長(zhǎng)方形的、薄的壓力膜或者振動(dòng)膜88A，通過(guò)一個(gè)隔片90將薄片88A從一個(gè)基本上是長(zhǎng)方形的薄片或部件88B。部件88A和88B分別包括光學(xué)反射表面86A和86B，并且安排它們的位置使表面86A和86B互相面對(duì)。隔片90由非反射材料構(gòu)成。
檢測(cè)元件82另外包括一個(gè)偏置線圈92，這個(gè)線圈被固定在膜84的第一部件88A的發(fā)射表面86A的對(duì)面。第二個(gè)反射表面86B包括一個(gè)光學(xué)透明部分94，并且它被固定在到光纜或光導(dǎo)纖維80的透明部分94上。部件88A可能由如非晶硅這樣的材料構(gòu)成，它包括，比第二部分98柔順的第一部分96。更準(zhǔn)確地說(shuō)，當(dāng)部件88A暴露在外力下時(shí)，第一部分96比第二部分98移動(dòng)或移位更多。通過(guò)選擇薄片材料的厚度來(lái)選擇部件88A的柔順性。更準(zhǔn)確地說(shuō)，在第一部分96上的部件88A比第二部分98上厚。部件88B基本上是剛性的并且可以由象鎳鎘鐵合金這樣的半透明的材料組成。
在第一個(gè)部件88A上光刻形成偏置線圈92，并且該偏置線圈穿過(guò)第一部分96中的A區(qū)和第二部分98中的B區(qū)。偏置線圈92傳送一個(gè)偏置電流Ibias，這個(gè)電流由一個(gè)偏置電流源100生成。如同傳感器56(圖3)一樣，例如可以使用一個(gè)印刷電路板(沒(méi)有顯示)支撐檢測(cè)元件82。
光導(dǎo)纖維80被固定在到微型共振元件84的部件88B的透明部分94的第一個(gè)端102上，并且在第二個(gè)端104上和一個(gè)光源和一個(gè)光耦合器106耦合。在專業(yè)領(lǐng)域中，這樣的光源和耦合器是眾所周知的。光源通過(guò)光導(dǎo)纖維80和部件88B將光信號(hào)發(fā)射到檢測(cè)元件82。這個(gè)發(fā)射信號(hào)分別被膜88A和部件88B各自的反射表面86A和86B反射，并且反射光的一部分通過(guò)透明部件94返回到光導(dǎo)纖維80。光耦合器將返回的光信號(hào)從發(fā)射信號(hào)分開(kāi)，以便于可以處理返回信號(hào)。在一個(gè)形式中，為了確定返回信號(hào)的頻率，在光譜上或者輻射度上分析返回信號(hào)的頻率。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)一個(gè)中央處理器可以控制電流源100的工作。此外例如通過(guò)眾所周知的容性耦合的方法，將表示返回光信號(hào)頻率的信號(hào)提供給處理器。
通過(guò)檢測(cè)部件88A的移動(dòng)例如機(jī)械移位的方法，確定在偏置線圈92和導(dǎo)體58間的電磁場(chǎng)F。更詳細(xì)地講，在導(dǎo)體58中出現(xiàn)輸入電流Iin而在偏置線圈92中沒(méi)有電流時(shí)，檢測(cè)元件82處于初始狀態(tài)，也就是說(shuō)部件88A基本上與部件88B平行。通過(guò)光導(dǎo)纖維80發(fā)射到檢測(cè)元件82的光信號(hào)在部件88A和88B間的空間內(nèi)反射，并且反射光的一部分通過(guò)光導(dǎo)纖維80返回。在初始狀態(tài)中，光信號(hào)具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率f0。當(dāng)在偏置線圈92中出現(xiàn)偏置電流Ibias時(shí)，檢測(cè)元件82處于一個(gè)修正狀態(tài)并且產(chǎn)生一個(gè)偏置磁場(chǎng)Bbias。通過(guò)導(dǎo)體58中的電流產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)Bbias和磁場(chǎng)間的相互作用，這種作用導(dǎo)致上面的部件88A移位或者彎曲，象在圖4中的部分剖視圖中說(shuō)明的。由于這樣的移位，相對(duì)于在初始狀態(tài)中的這樣的反射，在部件88A和88B間反射光變化。當(dāng)部件88A移位時(shí)，反射光具有一個(gè)修正頻率f。
標(biāo)準(zhǔn)頻率f0和修正頻率f被用作確定輸入電流Iin。一旦標(biāo)準(zhǔn)頻率f0和振蕩頻率f是已知的，那么中央處理器確定標(biāo)準(zhǔn)化頻率，也就是說(shuō)修正振蕩頻率f和標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率f0的比例，也就是說(shuō)f/f0。象上面所說(shuō)的，標(biāo)準(zhǔn)化的頻率然后被用作確定輸入電流Iin。替換的，例如在圖中所示的實(shí)施例中所說(shuō)明的，幅度A和A0的比例可以以和標(biāo)準(zhǔn)化的頻率比例相同方式中實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流Iin的精確測(cè)量。
上面所說(shuō)的電流傳感器自動(dòng)調(diào)零，其中，既然例如溫度變化對(duì)頻率f和頻率f0一樣具有相同的影響，那么利用比例f/f0，消除外部環(huán)境的條件如溫度的影響。因而基本上溫度和其他外部條件不影響這樣的比例，這有利于更精確的電流檢測(cè)。另外，關(guān)于自動(dòng)調(diào)整，通過(guò)控制偏置電流幅度控制上述電流傳感器的范圍。既然根據(jù)檢測(cè)到的電流幅度很容易調(diào)整偏置電流幅度，那么有利于自動(dòng)調(diào)整也就是說(shuō)自動(dòng)選擇電流傳感器的范圍。
根據(jù)提供的對(duì)檢測(cè)到的電流幅度的精確測(cè)量，這樣的傳感器是高度專門(mén)的。既然通過(guò)使用比例f/f0，根據(jù)頻率f和f0，基本上抵消了外部磁場(chǎng)的影響。因而，基本上消除了不僅僅涉及導(dǎo)體58中的電流的磁場(chǎng)。
上面所說(shuō)的電流傳感器比已知的電流傳感器復(fù)雜性低，例如因?yàn)樗鼈儾灰箅娏鞣至鞑⑶也恍枰h(huán)行繞組。因而這樣的傳感器應(yīng)該是容易制造的并且降低了價(jià)格。
然而這里只介紹和說(shuō)明了本發(fā)明某些優(yōu)選的特征，對(duì)于專業(yè)領(lǐng)域中的技術(shù)人員將有很多修改和變化。例如，磁芯在已經(jīng)說(shuō)明中基本上作為C形的，但是它可以是其他任何形狀。更進(jìn)一步，當(dāng)圖4中的上面的部件88A被說(shuō)明為通過(guò)使用對(duì)反射光的測(cè)量的方法的檢測(cè)，可以替換的使用其他檢測(cè)位移或壓力變化的結(jié)構(gòu)。因此，附加的權(quán)利要求意在覆蓋所有在本發(fā)明真正的精神的情況下的這樣的修改和變化，這是可以理解的。
權(quán)利要求
1.用于產(chǎn)生表示載流導(dǎo)體中的交變電流的信號(hào)的電流傳感器，上述傳感器包括一個(gè)具有第一個(gè)和第二個(gè)端并且在兩個(gè)端之間具有一個(gè)縫隙的磁芯；和一個(gè)電流檢測(cè)元件，這個(gè)元件具有一個(gè)用于傳送一個(gè)偏置交變電流的偏置線圈，在上述磁芯的第一個(gè)和第二個(gè)端間的縫隙中設(shè)置上述檢測(cè)元件的位置以使它暴露在載流導(dǎo)體和偏置線圈的交變磁場(chǎng)時(shí)，該檢測(cè)元件移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電流傳感器，其中，上述電流檢測(cè)元件另外包括一個(gè)微型共振元件，上述偏置線圈被粘附固定在上述微型共振元件上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電流傳感器，其中，上述微型共振元件包括一個(gè)微型懸臂元件，這個(gè)元件根據(jù)外部磁場(chǎng)共振。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的電流傳感器，其中，上述微型共振元件包括一個(gè)微型橋元件，這個(gè)元件根據(jù)外部磁場(chǎng)共振。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的一個(gè)電流傳感器，其中，上述微型共振元件包括第一和第二部分，對(duì)于一個(gè)交變磁場(chǎng)，上述第一部分具有比第二部分更大的柔量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的一個(gè)電流傳感器，其中，上述檢測(cè)元件包括一個(gè)壓力膜和一個(gè)片，這兩個(gè)部分至少被一個(gè)隔片隔離，偏置線圈被粘附固定載上述膜上，并且一個(gè)光導(dǎo)纖維被固定在到上述片的第一個(gè)端。
7.測(cè)量一個(gè)載流導(dǎo)體中電流的方法，使用一個(gè)電流傳感器，該傳感器包括一個(gè)具有第一個(gè)和第二個(gè)端并且在這兩個(gè)端之間具有一個(gè)縫隙的磁芯、一個(gè)電流檢測(cè)元件和一個(gè)偏置交變電流源，電流檢測(cè)元件包括一個(gè)粘附固定在其上的偏置線圈，安排電流檢測(cè)元件的位置，使它緊貼近縫隙，以便于電流檢測(cè)元件根據(jù)一個(gè)由偏置線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)移動(dòng)，偏置線圈被電氣耦合到偏置交變電流源，上述方法包括的步驟有確定當(dāng)偏置線圈中出現(xiàn)電流時(shí)的電流檢測(cè)元件的位移；和從確定電流檢測(cè)元件的位移確定載流導(dǎo)體中電流幅度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的一個(gè)方法，其中，電流檢測(cè)元件包括一個(gè)微型共振元件，偏置線圈被粘附固定在微型共振元件上，安排上述微型共振元件的位置使它緊貼近縫隙，以便于微型共振元件根據(jù)一個(gè)由載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)共振，并且其中確定電流檢測(cè)元件位移的步驟包括確定微型共振元件一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率f0，和確定當(dāng)偏置線圈中出現(xiàn)電流時(shí)，微型共振元件的一個(gè)修正振蕩頻率f。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的一個(gè)方法，其中，電流檢測(cè)元件包括一個(gè)微型共振元件，偏置線圈被粘附固定在微型共振元件上，安排上述微型共振元件的位置使它緊貼近縫隙，以便于微型共振元件根據(jù)一個(gè)由載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)共振，并且其中確定電流檢測(cè)元件位移的步驟包括確定微型共振元件一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)振蕩幅度A0，和確定當(dāng)偏置線圈中出現(xiàn)電流時(shí)，微型共振元件的一個(gè)修正振蕩幅度f(wàn)。
全文摘要
一個(gè)檢測(cè)載流導(dǎo)體中交變電流的電流傳感器,包括第一和第二端和之間的C形磁芯。電流檢測(cè)元件包括微型共振元件,其緊貼近磁芯的第一和第二端之間的縫隙,當(dāng)該元件暴露在交變磁場(chǎng)時(shí)共振。偏置線圈附到微型共振元件。當(dāng)偏置線圈沒(méi)有電流時(shí),微型共振元件以標(biāo)準(zhǔn)頻率共振或振動(dòng),當(dāng)偏置線圈和載流導(dǎo)體有電流時(shí)微型共振元件以修正振蕩頻率振蕩。比率f/f
文檔編號(hào)G01R15/18GK1206834SQ98116179
公開(kāi)日1999年2月3日 申請(qǐng)日期1998年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月24日
發(fā)明者E·貝爾坎, J·J·蒂曼 申請(qǐng)人:通用電氣公司