[发明专利]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

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。