永久或可变交变磁场环量传感器及实现这种传感器的电流传感器

摘要

本发明涉及磁场环量传感器，包括：磁性激励装置，其包括(I)至少一个伸长的激励线圈(10)，该激励线圈(10)围绕伸长的柔软磁芯(11)延伸，磁芯(11)由柔韧的磁性材料构成，柔韧的磁性材料包含柔软或柔韧的基体，在基体中散布有磁性粒子，以及(II)激励电流产生单元(3)，其耦接至激励线圈，以便在线圈的基本全部长度上在芯中产生激励磁场；以及测量装置，包括(I)至少一个磁性测量变换器(10)，其磁性地耦接至磁性激励装置，以及(II)测量单元(3)，其连接至磁性测量变换器(10)并适于提供芯中磁场环量的测量。

说明书

本发明涉及传感器的技术领域，该传感器用于测量如磁场的磁场强度以便得到磁场的本征值，或者根据磁场的本征值推算出量化磁场原点处的物理现象的值。在优选的但非排他的应用中，本发明涉及电流传感器，该电流传感器根据由导体辐射的磁场来确定在导体中流通的电流的强度。

因此，一些传感器(如罗戈夫斯基(Rogowski)型电流传感器)根据由变换器(也被称为罗戈夫斯基探头)中的所述电流所产生的磁场的环量来确定电流值。这种罗戈夫斯基型变换器通常包括围绕由非磁性材料构成的伸长柔软芯延伸的伸长线圈。然后将罗戈夫斯基变换器连接至电子器件，电子器件根据在线圈的终端处测量的电气强度来确定在所述线圈内循环的磁通量的值，以当线圈环绕电导体时从磁通量的值中推出导体中流通的电流的强度。

这种罗戈夫斯基型传感器对于测量交流电是令人满意的，但是却具有不适于测量直流电的缺点。为了补救该缺点，US2004/0201373号专利申请已经提出了实现一种传感器，该传感器包括具有高磁导率的磁通门型检测元件，以及通过由具有高磁导率的材料制成的环绕磁通门型检测元件的磁带而形成的磁芯。然而，具有高的相对磁导率的磁性材料的实现意味着求助于对外部机械应力敏感的特别昂贵的磁性合金。因此，出现了对适于测量交流电和直流电的新型传感器的需要，该传感器与使用具有高磁导率的材料的传感器相比具有降低的生产成本，且与公知的传感器相比对外部机械应力不那么敏感，因此不那么易损。

为了实现该目标，本发明涉及磁场环量传感器，其包括：

-磁性激励装置，包括

-至少一个伸长的激励线圈，所述激励线圈围绕伸长的柔软磁芯延伸，其由柔软磁性材料构成，所述磁性材料具有低相对磁导率并且包括柔软或柔韧的基体，在基体内分布有磁性粒子，

-激励电流产生单元，所述激励电流产生单元耦接至所述激励线圈，以便在线圈的基本全部长度上在所述芯中产生激励磁场；

-测量装置，包括：

-至少一个磁性测量变换器，其磁性地耦接至所述磁性激励装置，以及

-测量单元，其连接至所述测量变换器并适于利用源自所述测量变换器的电气强度。

应当注意的是，根据本发明的传感器是环量传感器，即所述测量装置适于沿着所述芯或至少在由所述激励线圈覆盖的所述芯的长度上对磁场的值积分。

所述磁性激励装置的实现使得在所述芯中产生激励磁场成为可能，由于由具有低相对磁导率的磁性芯的磁性粒子引入的磁性非线性，所以该激励磁场将由待测量的磁场调制。所调制的磁场的环量将由测量装置确定，所述测量装置沿着伸长的磁性芯对磁场的值进行积分。由于该激励，根据本发明的传感器对永久磁场和可变磁场的环量都敏感。

而且，包括柔软基体的磁芯的实现使得获得传感器成为可能，在柔软基体中分布有磁性粒子，该传感器对其芯所经受的机械应力或变形不是非常敏感或者根本不敏感。

另外，应该强调的是，发明人已经证实了，通过实现具有低相对磁导率的材料来检测或测量磁场以及永久磁场和可变磁场是可能的，但是到目前为止，已经使用了具有高相对磁导率的材料，如US2004/0201373号申请所描述的。

根据本发明的特征，变换器的芯的粒子具有亚微米尺寸并且优选地具有纳米级尺寸。这种粒子尺寸的实现使得可能获得低的或者非常低的芯磁导率以及磁滞的减少、对空隙的敏感度的降低和在传感器到达饱和状态前传感器工作范围的增加。重要的是要说明，与磁通门型传感器不同，选择具有亚微米尺寸的粒子，以在不必使磁芯的材料达到饱和状态的情况下通过它们的非线性来引入调制。因此，所述磁场环量传感器增加了其线性工作范围，即在存在两个外部场的源的情况下，所述磁场环量传感器提供了与两个外部磁场环量的总和成比例的信息。

类似地，根据本发明的另一个特征，变换器的所述芯的粒子形成具有亚微米尺寸并且优选地具有纳米级尺寸的聚合体。

根据本发明的又一特征，所述芯具有超顺磁性。这种超顺磁性芯的实现具有利用了基本上完全没有磁滞的优势，这使得可能关于低的场环量值增加传感器的准确性。

根据本发明，可以以各种方式产生所述激励线圈。因此，所述激励线圈可以包括以邻接的匝或其他方式围绕所述芯卷绕的导体，然后导体连接的末端每个位于伸长体的不同端。然后使这些端更紧密地聚合在一起，使得当所述芯本身闭合以便围绕在内部流通有待测量的电流的电导体或导体时，这些端能够连接至所述激励单元和/或所述测量单元。当然，所述激励线圈的这种实施方式不是严格必须的或者能够想象到的唯一的一个。

因此，根据本发明的实施方式，所述激励线圈包括：至少一个出线导体，其围绕所述芯卷绕以便从芯的第一端延伸至芯的第二端；和至少一个回路导体，其自所述出线导体的第二端延伸以返回至第一端附近。

根据该实施方式的变体，所述回路导体基本上沿着所述芯的中轴线△在所述芯中延伸。因此，所述出线导体、所述芯和所述导体表现出特别适合自动工业制造的同轴几何结构。

根据该实施方式的另一个变体，所述回路导体是围绕所述芯卷绕的。所述回路导体的该卷绕使增加激励场成为可能。然后将卷绕所述回路导体，以便防止由所述出线导体产生的激励场被由所述回路导体产生的激励场中和。另外，所述回路导体将优选地形成与所述出线导体相同的匝数，并且还将优选地以相同的节距卷绕，无论匝是否是邻接的。

根据本发明，可以以任何适合的方式生成所述测量装置。因此，所述测量装置可以包括几个霍尔效应变换器，这几个霍尔效应变换器分布在所述芯中并连接至所述测量单元，以便将磁场的局部值积分到所述测量单元中。所述霍尔效应变换器将优选地均匀分布在所述芯中以提供磁场的均匀积分。当然，还可以设想其他类型的分离的磁性变换器，例如磁致电阻。

根据本发明的实施方式，所述磁性测量变换器包括围绕伸长柔软的磁芯卷绕的至少一个导体。这种沿着磁芯11连续分布的变换器的实现使得在所述芯中发生磁场的连续积分成为可能，除了其他方面以外，这贡献了传感器的准确性和线性。

根据该实施方式的特征，所述激励线圈部分地形成了至少所述磁性测量变换器。因此可能降低根据本发明的传感器的生产成本。

根据该实施方式的另一特征，测量变换器包括不同于所述激励线圈的且由围绕所述芯卷绕的测量导体形成的至少一个测量线圈。优选地，所述测量线圈在磁芯的与所述激励线圈相同的部分上延伸。使用与所述激励线圈不同的测量线圈具有于是基本没有电流在所述测量线圈中流通的优势，从而使得在确定磁场的环量过程中克服绕组电阻的寄生效应成为可能。

根据本发明的特征，每个卷绕的导体形成匝，匝的每一个与下一个相隔小于或等于构成绕组的导线直径的四倍的距离，优选地小于导线直径的两倍的距离。这样的绕组参数使得在所述激励线圈的结构内在所述芯中获得激励场的良好均匀性成为可能。作为测量的一部分，这些参数使得可能沿着所述芯提供磁场的更加均匀的积分，因而提高了根据本发明的环量传感器的灵敏度。

根据本发明的另一特征，至少一个卷绕的导体形成了邻接的匝。作为测量的一部分，该特征对应于在所述测量变换器的全部长度上提供磁场的均匀积分的配置，因此在没有任何间断的情况下提供了在所述芯中磁场的环量的测量。

根据本发明的又一特征，传感器包括用于产生反馈场的装置，该装置适于在磁芯中保持基本上零的磁场环量，并连接至传感器的线圈。

然后，可以将反馈装置连接至所述激励线圈或者还连接至另一线圈，另一线圈环绕所述芯并基本上在所述激励线圈的全部长度上延伸。这种反馈装置的实现在使温度对所述磁场环量传感器性能的影响降低的方面是特别有利的。

根据本发明的又一特征，传感器包括用于测量温度的装置，以补偿温度的影响。

根据旨在提供不同测量的本发明的特征，所述磁场环量传感器包括至少两个具有基本相同几何结构的组件，每个组件由激励线圈、磁芯和测量变换器的组合构成，优选地只有两个组件。

根据本发明的另一特征，传感器包括至少四个基本相同的组件，每个组件由激励线圈、磁芯和测量变换器的组合构成。四个激励和测量组件的实现使得基于惠斯通电桥用变换器进行测量成为可能。

然后，可以将基本相同的组件置于不同的平面中，不同的平面不必是彼此平行的。在实施方式的变体中，至少一些组件、优选地所有组件，基本是彼此平行的。

根据本发明的又一个特征，传感器包括至少一个连接至所述测量单元的罗戈夫斯基型变换器。这种罗戈夫斯基型变换器包括例如至少一个伸长的线圈，至少一个伸长的线圈围绕伸长的柔软非磁性芯延伸并连接至所述测量装置。

优选地，但不是严格必须地，将基本平行于所述磁性激励变换器布置罗戈夫斯基变换器。在根据本发明的环量传感器中的这种罗戈夫斯基型变换器的实现使得环量传感器以更大的通带测量高频可变场的环量成为可能。因此，根据本发明的传感器适于准确地测量低频可变场或高频可变场和永久场的环量。

根据本发明的又一特征，磁场环量传感器包括在所述变换器和所述激励单元及所述测量单元之间的连接装置。优选地，但不是严格必须地，这些连接装置是可逆的，以允许所述变换器与所述激励单元及所述测量单元以及可能的反馈装置之间的几个连续的连接和断开。

根据本发明的特征，环量传感器包括用于磁芯的环路闭合的装置。这种闭合装置于是提供保持所述芯的相对端靠在一起以便例如至少部分地环绕电导体或一组电导体，以便测量由一个或多个流通电流产生的磁场的环量，如在电流测量应用中可能有用的。

本发明还涉及直流传感器或可变电流传感器，该直流传感器或可变电流传感器用测量装置实现了根据本发明的磁场环量传感器，该测量装置适于测量在导体中流通的电流，围绕该导体使由所述激励线圈和所述芯形成的组件环路闭合。

当然，在本发明的不同特征、形式和各个实施方式不彼此不兼容或不互斥的范围内，可以将它们以各种组合方式组合在一起。

另外，从下面参考附图给出的描述中，本发明的各个其他特征明显可见，附图示出了根据本发明的磁场环量传感器和构成这种传感器的变换器的非限定实施方式。

图1是根据本发明的实现单磁芯的传感器的图示立体图；

图2是构成图1中所示的传感器的变换器或芯线圈组件的纵截面图；

图3是图1中所示的传感器的图示横截面图，其中，围绕电导体的变换器或芯线圈组件是闭合环路，以便形成电流传感器；

图4是根据本发明的变换器的部分轴向截面图，其示出了变换器的结构特征；

图5至图9示出了构成根据本发明的传感器的变换器的各个实施方式；

图10和图11在纵截面图中示出了彼此平行的且意在与根据本发明的磁场环量传感器结合在一起的根据本发明的分别两个变换器或芯线圈组件和四个变换器或芯线圈组件的组合；以及

图12是平行于罗戈夫斯基型变换器布置以便与根据本发明的磁场环量传感器结合在一起的变换器的部分纵向截面图。

在图中，对于不同的变体或实施方式共同的不同元素具有相同的标号。

如图1中图解示出的并由标号1作为整体指示的根据本发明的磁场环量传感器，一方面包括变换组件2，另一方面包括通过电线或电缆4、5连接至变换组件2的电子单元3。

变换组件2包括围绕磁芯11卷绕的伸长线圈10。在本发明的含义中，伸长的线圈意味着具有大于线圈直径的两倍长度的线圈，例如，大于线圈直径的五倍甚至十倍的长度。优选地，线圈将在磁芯的主要部分上延伸。因此，磁芯11具有等于或大于线圈10长度的长度。为了便于变换组件2的生产并且使传感器的实现更容易，磁芯11至少在其第一次实现之前具有柔软特性。柔软特性意味着，在环境温度(20℃)下芯11是柔软或柔韧的，并且因此能够在不使用任何特殊工具的情况下通过手来变形。根据本发明，然后磁芯11由包括柔软或柔韧基体的柔软材料构成，该柔软或柔韧基体由高分子材料制成，在该柔软或柔韧基体内分散有磁性粒子，磁性粒子将它们的磁性传给芯。

然后，根据为根据本发明的传感器设想的应用，于是柔软基体可以由还被称为塑性体的塑性材料实现，或者可以由还被称为弹性体的天然橡胶或合成橡胶实现。因此，基体可以由从热塑材料或热固材料中选择的塑料材料制成。通过实施例，基体可以从以下热固材料中选择：酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯、交联聚氨酯烷基。基体还可以从以下热塑材料中选择：聚乙烯、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚酯以及共聚物、丙烯酸类聚合物、聚烯烃、纤维素衍生物、聚酰胺。基体还可以从以下聚合物中选择：含氟聚合物、硅酮、合成橡胶、饱和聚酯、线性聚氨酯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚砜、聚酯砜、亚苯基多硫化物、聚酰亚胺和人造橡胶。

为了便于线圈的制造和实现，优选地选择构成基体的材料，以在传感器的使用寿命期间表现出柔韧的性质。然而，可以设想对于基体实现材料，在将变换器安装在其使用位置后，该材料随后能够变硬或成为刚性以便变得基本不可变形。因此可以设想，在线圈的实现以后，使用热固材料作为基体，热固材料经历热处理以给予其特定形状，热固材料可能是可弹性变形的。

为了将磁性传给芯，构成芯的材料还包括分布在基体内部的磁性粒子。磁性粒子将选自例如氧化铁粒子、铁和另一金属的混合氧化物粒子、氧化镍或氧化钴的粒子或这些金属的混合氧化物。例如，混合的铁氧化物是例如铁和从锰、镍、锌、铋、铜、钴中选择的另一金属的混合氧化物。磁性粒子还可以从Fe₃O₄和/或F₂O₃型铁氧化物粒子中选择。磁性粒子还可以从Fe_xNi_(1-x)、Co_xNi_(1-x)或Fe₂₀Ni₈₀型金属合金的粒子中选择。

为了传递特定的各向同性磁性，如低相对磁导率(例如小于100或者甚至小于10，或者甚至小于5)，或如饱和前的非线性和低磁滞，芯的粒子将被选择成单独或共同表现出亚微米尺寸和优选地纳米级尺寸。优选地，将选择芯的粒子，以便表现出将超顺磁性传递给芯的基体中的尺寸和浓度。超顺磁性是指在文集“Grenoble Sciences”(ISBN 2-86883-463-9)中由“EDP Sciences”在1999年出版的“磁学(Magnetism)”卷1中Etienne du Tremolet de Lacheisserie等人定义的超顺磁性。

根据示出的实施例，线圈10包括从芯的第一端13延伸到相对端或第二端14的出线导体12。围绕并沿着芯11以邻接的匝卷绕出线导体12。为了方便线圈10到单元3的连接，线圈10包括回路导体15，该回路导体15使出线导体12从端14延伸至第一端13。

根据示出的实施例，回路导体15基本沿着芯的中轴线或中间纤维△在芯中延伸。当然，能够设想使回路导体返回到芯或线圈的外部，回路导体基本平行于中轴线△延伸。为了对线圈提供保护，更具体地，为了对线圈的绕组12提供保护，可以用保护套来覆盖线圈的绕组12，例如，保护套可例如通过由可热伸缩材料制成的柔软护套构成。根据示出的实施例，芯-线圈组件2还包括在这里通过在端14处的适合的管状套筒形成的环路闭合的装置17，在端14处的适合的管状套筒旨在容纳端13。当然，可以以任何其他适合的方式，例如以对于大量开口和封闭口提供的机械紧固件的形式，实现闭合的装置17。

如上所示，线圈10连接至包括激励装置20和测量装置21的单元3。激励装置20包括电子器件，该电子器件产生激励电流，以便在芯11中和线圈10的全部长度上引起激励磁场。根据示出的实施例，在激励装置20直接连接至单线圈10的范围内，通过由装置20产生的激励电流引起的激励磁场必需至少在线圈的全部长度上延伸。另外，测量装置21平行于激励装置20连接至线圈10。然后，测量装置21适于利用源自激励装置20的电气强度。

在优选的但非排他的实施方式中，测量装置21适于确定来自于导体C辐射的磁场的在导体C中流通的电流和在线圈10中流通的电流的强度。为此目的，优选地并如图3中所示，围绕导体C使变换器2环路闭合，待测电流在导体C内流通。环路闭合是通过将芯-线圈组件2的端13接合在被装配到端14的套筒17中来执行的。当然，可以实现其他闭合的装置，以围绕导体C放置芯-线圈组件2。

需要注意的是，在前面描述的传感器1的实施方式的框架内，线圈10执行测量线圈和激励线圈的双重功能。而且，还能够设想实现适于将芯11中的磁场保持在基本零值处的反馈装置22。在图1至图3中示出的情况下，这些反馈装置22直接连接至线圈10，该线圈10于是执行反馈线圈的第三功能。

根据示出的实施例，线圈10包括以邻接的匝卷绕的导体。然而，根据本发明，导体12的匝不需要是邻接的，如图4所示。优选地，于是两个连续的匝将以距离D间隔，距离D小于构成绕组的导体直径d的四倍，优选地小于这个直径的两倍。

根据关于图1至图3描述的实施例，回路导体15延伸至芯11的中央。然而，这种实现方法对于获取根据本发明的变换器2不是严格必需的。因此，图5示出了芯-线圈组件2的另一个实施方式，更具体地是线圈10的另一个实施方式，根据该实施方式，围绕芯11和导体12卷绕回路导体15以形成回路绕组25，回路绕组25包括与“出路”导体12相同的匝数。然后，朝相同的方向卷绕绕组25或回路导体15的匝。在线圈10具有偶数绕组(即“出线”绕组与“回路”绕组一样多)的情况下，还可以设想这种实现方法。当然，线圈10可以包括大于或等于三的奇数绕组，如图6中所示。根据该实施例，线圈10包括三个绕组，其中最后的绕组在端14的水平面处连接至在芯11内延伸的回路导体15。

根据关于图1至图3描述的实施例，变换组件2包括单线圈，该单线圈执行激励功能和测量功能，可能还执行反馈功能。然而，激励功能和测量功能不必由同一个线圈执行。

因此，图7示出了根据本发明的变换组件2，该变换组件2包括激励线圈10和环绕激励线圈10的测量线圈30。根据该实施例，激励线圈10包括单个“出线”绕组或导体12和回路导体15。类似地，测量线圈30包括在端14的水平面处连接至回路导体15的单个绕组31。

当然，如图8中所示，还能够设想具有围绕线圈10和30卷绕的并意在形成反馈线圈的第三线圈33。根据示出的实施例，三个线圈10、30和33共享相同的回路导体15。另一方面，根据图9中示出的实施例，线圈10、30和33中的每一个具有其自己的回路导体。自己的回路导体基本沿着芯11的中轴线△延伸到芯11内。

磁场环量传感器可以包括单个变换组件2，或如图10中所示包括几个(在该情况下是两个)相同的变换组件2，相同的变换组件2被布置以便彼此平行。这种布置使得执行差别测量成为可能。

类似地，图11示出了四个相同的变换组件2的组合，四个相同的变换组件2被布置以便彼此平行。该组合使得使用变换器来基于惠斯通电桥执行测量成为可能。

还可能将根据本发明的变换组件或变换器2与非磁性变换器40结合，如图12所示。通过包括卷绕的出线导体42和回路导体43的线圈41，非磁性变换器40于是表现出基本与变换器2的机械结构相似的通常机械结构。无磁变换器40与磁性变换器2的不同之处在于，其芯44是非磁性的并且不必被激励。于是，变换器40类似于罗戈夫斯基型探头或变换器。变换器2和罗戈夫斯基型变换器40都连接至测量装置21，而仅磁性变换器2连接至激励装置20。应当注意的是，变换器2和40都适于测量磁场环量，这里关于芯的本质而采用术语磁性和非磁性。

当然，在权利要求的背景内，可以对本发明进行各种其他的修改。