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电流传感器

我有新说法

小小的电源设备已经融合了越来越多的?#24405;?#26415;。例如开关电源、?#37096;?#20851;、软开关、稳压、线性反馈稳压、磁放大器技术、数控调压、PWMSPWM、电磁兼容等?#21462;?#23454;际需求直接推动电源技术不断发展和进步,为了自动检测和显示电流,并在过流、过压等危险情况发生?#26412;?#26377;自动保护功能和更的智能控制,具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势,检测电流或电压的传感器应运而生并在我国逐渐受到广大电源设计者的青睐。


1定义


电流传感器,是一种检测装置,能感受到被测电流的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

电流传感器也称磁传感器,可以在家用电器、智能电网、电动车、风力发电等等,在我们生活中?#21152;?#21040;很多磁传感器,比如说电脑硬盘、?#25913;?#38024;,家用电器等?#21462;?/p>

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2分类


电流传感器依据测量原理不同,主要可分为:分流器、电磁式电流互感器、电子式电流互感器?#21462;?/p>

电子式电流互感器包括霍尔电流传感器、罗柯夫斯基电流传感器及专用于变频电量测量的AnyWay变频功率传感器(可用于电压、电流和功率测量)?#21462;?/p>

与电磁式电流传感器相比较,电子式电流互感器没有铁磁饱和,传输频带宽,二次负荷容量小、尺寸小、重量轻、是今后电流传感器的发展方向。

光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新型电流传感器。

当线偏振光在介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场,则光振动方向将发生偏转,偏转角度?#23376;?#30913;感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比,?#22788;?V*B*l,比例系数V称为费尔德常数,与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。 [1] 

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3霍尔传感器


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概述

AIC是“特制集成电路”的英文缩写,它是八十年代末迅速发展起来的一项高技术产品。从设计思想、研制手?#21361;?#30452;到测试方法,使与传统的通用集成电路有质的区别,是将超大规模集成电路(VLSI)的工艺技术、计算机辅助设计(CAD)、自动测试技术(ATE)三者结合的丰硕成果。应用在变送器上,即为变送器专用厚膜电路。ASIC电路的变送器把变送器的转换电路和输出电路(即大部分电子电路)全?#32771;?#25104;到一块定制的芯片上,大大减少了元器件的数量,整个变送器仅有CT、PT、电源、大电容、ASIC芯片等少数几个器件,从而可大大提高整个变送器的可靠性和长期稳定性。

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工作原理

霍尔原理电流传感器是基于霍尔磁平衡原理(闭环)和霍尔直测式(开环)两种基本原理。 [2] 

开环电流传感器的原理:原边电流IP产生的磁通被高?#20998;?#30913;芯聚集在磁?#20998;校?#38669;尔元件固定在很小的气隙中,对磁通进行线性检测,霍尔器件输出的霍尔电压经过特殊电路处理后,副边输出与原边波形一致的跟随输出电压,此电压能够反映原边电流的变化。

霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流,从直流电到几十千赫兹的交流电,其所依据的工作原理主要是霍尔效应。

当原边导线经过电流传感器时,①原边电流IP会产生磁力线,②原边磁力线集中在磁芯周围,③内置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅?#36127;?#20239;的电压,④电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS,⑤并存在以下关系式:

(1)

其中,IS—副边电流;

IP—原边电流;

NP—原边线圈匝数;

NS—副边线圈匝数;

NP/NS—匝数比,一般取NP=1。

电流传感器的输出信号是副边电流IS,它与输入信号(原边电流IP)成正比,IS一般很小,只有100~400mA。如果

输出电流经过测量电阻RM,则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。

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特性参数

标?#32423;?#23450;值IPN和额定输出电流ISN

IPN指电流传感器所能测试的标?#32423;?#23450;值,用有效值表示(A.r.m.s),IPN的大小与传感器产品的型号有关。

ISN指电流传感器额定输出电流,一般为100~400mA,某些型号可能会有所不同。

传感器供电电压VA

VA指电流传感器的供电电压,它必须在传感器所规定的?#27573;?#20869;。超过此?#27573;В?#20256;感器不能正常工作或可靠?#36234;?#20302;,另外,传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。

测量?#27573;pmax

测量?#27573;?#25351;电流传感器可测量的大电流值,测量?#27573;?#19968;般高于标?#32423;?#23450;值IPN。测量?#27573;?#21487;用下式计算:

(2)要注意单相供电的传感器,其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍,所以其测量?#27573;?#35201;高于双相供电的传感器。

过载

电流传感器的过载能力参见图2。发生电流过载时,在测量?#27573;?#20043;外,原边电流仍会增加,而且过载电流的?#20013;?#26102;间可能很短,而过载值有可能超过传感器的允许值,过载电流值传感器一般测量不出来,但?#25442;?#23545;传感器造成损坏。

精度

霍尔效应传感器的精度取决于标?#32423;?#23450;电流IPN。在+25℃时,传感器测量精度受原边电流影响的曲线如图3所示,使用下面公式可计算出精度:

(3)

其中,K=NS/NP。

计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。

偏移电流ISO

偏移电流?#27493;?#27531;余电流或剩余电流,它主要是由霍尔元件或电子电?#20998;性?#31639;放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时,在25℃,IP=0时的情况下,偏移电流已调至小,但传感器在离开生产线时,都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。

线性度

线性度决定了传感器输出信号(副边电流IS)与输入信号(原边电流IP)在测量?#27573;?#20869;成正比的程度,ABB公司的电流传感器线性度要优于0.1%。

温度漂移

偏移电流ISO是在25℃时计算出来的,?#34987;?#23572;电极周边环境温度变化时,ISO会产生变化。因此,考虑偏移电流ISO的大变化是很重要的,这可以通过下式计算:

其中,CV(Catalogue value)是指电流传感器性能表中的温度漂移值,例如:对CS2000BR型?#27492;擔珻V为0.5×10-4/℃,大温度Tmax为-40℃,额定输出电流为400mA,则偏移电流的大变化为:Ma

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安装方法

霍尔电流传感器产品说明一般由“传感器产品型号”和“生产日期”两部分构成[5]。“传感器产品型号”用于标明传感器的型号、额定测量值、标准型或非标准型。“传感器生产日期”则是由8位数字构成,表明传感器的生产年份、日期(一年中的第几日)及传感器序列号。

霍尔电流传感器产品很多,每种传感器的外形结构、尺寸大小等?#21152;?#25152;不同,下面介绍几种典型的外形结构及安装接线方法。

MP25P1型

MP25P1电流传感器是ABB公司中一种量程很小的传感器,所能测量的额定电流为5、6、8、12、2,原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少,参见图5。

ES300C型

如MP25P1一样,一般传感器?#21152;?#27491;极(+)、负极(-)、测量端(M)三个管脚,但ES300C则没有此三个管脚,而是有红、黑、绿三根引线,分别对应于正极、负极及测量端。同时在ES300C型传感器中有一内孔,测量原边电流时要将导线穿过该内孔。

不管是MP25P1还是ES300C型等电流传感器,安装时管脚的接线应根据测量情况进行相应连线。

(1)在测量交流电时,必须强制使用双极性供电电源。即传感器的正极(+)接供电电源“+VA?#20493;耍?#36127;极接电源的“-VA?#20493;耍?#36825;种接法叫双极性供电电源。同时测量端(M)通过电阻接电源“0V?#20493;恕?/p>

(2)在测量直流电流时,可使用单极性或单相供电电源,即将正极或负极与“0V?#20493;硕?#25509;,从而形成只有一个电极相接的情况,其接法共有四种。

在传感器产?#20998;校?#26631;有“-N”标志的表示该传感器没有电源意外倒置防护措施;标有“-P”标志的则表示该传感器具有防护措施。图6是无保护二极管时的单极性供电电?#31383;?#35013;接线方法,图7是加有保护措施的传感器的接法。

(3)具有屏蔽作用的传感器的连接方法

ABB公司的部分电流传感器具有电磁屏蔽作用,其产品外壳上会多一个“E”标志的端口,其连接方式有两种:将屏蔽端和负极(-VA)或零线(0V)相连。

另外,安装时必须全面考虑产品的用途、型号、量程?#27573;А?#23433;装环?#36710;取?#27604;如传感器应尽量安装在利于散热的场合;如果环境只适于垂直安装,则必须选择带“V”字标志的传感器(如CS300 BRV)。

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测量方法

除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外,通过下述方法还可以提高测量精度:

1、原边导线应放置于传感器内孔中?#27169;?#23613;可能不要放偏;

2、原边导线尽可能完全放满传感器内孔,不要留有空隙;

3、需要测量的电流应接近于传感器的标?#32423;?#23450;值IPN,不要相差太大。如条件所限,手?#26041;?#26377;一个额定值很高的传感器,而欲测量的电流值?#20540;?#20110;额定值很多,为了提高测量精度,可以把原边导线多绕几圈,使之接近额定值。例如当用额定值100A的传感器去测量10A的电流时,为提高精度可将原边导线在传感器的内孔中心绕九圈(一般情况,NP=1;在内孔中绕一圈,NP=2;……;绕九圈,NP=10,则NP×10A=100A与传感器的额定值相等,从而可提高精度);

4、当欲测量的电流值为IPN/5的时,在25℃仍然可以有较高的精?#21462;?/p>

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抗干扰性

1、电磁场

闭环霍尔效应电流传感器,利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰。

A1直流电流变送器A1直流电流变送器

(1)传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化;

(2)外部导线与传感器的距离、外部导线的形?#30784;?#20301;置和传感器内霍尔电极的位置;

(3)安装传感器所使用的材料有无磁性;

A3单相交流电流变送器A3单相交流电流变送器

(4)所使用的电流传感器是否屏?#21361;?/p>

为了尽?#32771;?#23567;外部电磁场的干扰,好按安装?#25913;?#23433;装传感器。

2、电磁兼容性

电磁兼容性EMC,(Electro -Magnetic Compatibility )是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态,即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作而又互不干扰,达到“兼容”状态的一门学科[8]。空间电磁环境的恶化越来越容?#36164;?#30005;子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作,因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。由于实际生产、科研及市场推广的迫?#34892;?#35201;,采用已通过电磁兼容性检测的电流和电压传感器已形成共识,并已成为一个强制性标准。ABB公司的所有电流传感器自1996年1月1日起,均已通过了EMC检测。

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传感器标定

1、偏移电流ISO

偏移电流必须在IP=0、环境温度T≈25℃的条件下进行校准,按图9方法(双极性供电)接线,且测量电压VM必须满足:

VM≦RM×ISO (5)

2、精度

在IP=IPN(AC or DC)、环境温度T≈25℃、传感器双极性供电、RM为实际测量电阻的条件下进行测量,其接线如图10所示,并用公式(3)计算精?#21462;?/p>

3、保护性测试

霍尔电流传感器在测量电路短路、测量电路开路、供电电源开路、原边电流过载、电源意外倒置的条件下都可受到保护。对上述各项测试举例如下:

(1)测量电路短路

此项测试必须在IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM为实际应用中的电阻条件下进行,连接图如图11所示,开关S应在一?#31181;又?#20869;合上和打开。

(2)测量电路开路

此项测试条件为IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM是实际应用中的电阻。测试图如图12,开关S应在一?#31181;又?#20869;完成闭合/打开切换动作。

(3)电源意外倒置测试

为防止电源意外倒置而使传感器损坏,在电?#20998;?#19987;门加装了保护二极管,此项测试可使用万用表测试二极管两端,测试应在IP=0、环境温度T≈25℃、传感器不供电、不连接测量电阻的条件下进?#23567;?#21487;使用以下两种方法测试:

种?#21644;?#29992;表红表笔端接传感器“M?#20493;耍?#19975;用表黑表笔端接传感器“+?#20493;耍?/p>

第二种?#21644;?#29992;表红表?#24335;?#20256;感器负极,万用表黑表?#24335;?#20256;感器M端;

在测试中,如万用表鸣笛,说明二极管已损坏。

八、传感器应用计算[5]

根据图13,电流传感器的主要计算公式如下:

NPIP=NSIS; 计算原边或副边电流

VM=RMI; 计算测量电压

VS=RSIS; 计算副边电压

VA=e+VS+VM; 计算供电电压

其中,e是二极管内部和晶体管输出的压降,不同型号的传感器有不同的e值。这里我们仅以ES300C为例,这种传感器的匝数比NP/NS=1/2000、标?#32423;?#23450;电流值IPN=300A rms 、供电电压VA的?#27573;?#20026;±12V~±20V(±5%)、副边电阻RS=30Ω ,在双极性(±VA)供电,其传感器测量量程>100A且无防止供电电源意外倒置的保护二极管的情况下,e=1V。在上述条件下:

(1)给定供电电压VA,计算测量电压VM和测量电阻RM:

假设:供电电压VA=±15V

根据上述公式得:

测量电压VM=9.5V;

测量电阻RM=VM/IS =63.33Ω;

副边电流IS=0.1。

所以当我们选用63.33Ω的测量电阻时,在传感器满额度测量时,其输出电流信号为0.1 ,测量电压为9.5V。

(2)给定供电电压和测量电阻,计算欲测量的峰值电流;

假设:供电电压VA=±15V,测量电阻RM=12Ω,

则:VM+VS=(RM+RS)×IS =VA-e=14V

而:RM+RS=12W+30W=42W,

则大输出副边电流: A

原边峰值电流:IPmax=ISmax(NS/NP)=666A

这说明,在上述条件下,传感器所能测量的大电流即原边峰值电流为666A。如果原边电流大于此值,传感器虽测量不出来,但传感器?#25442;?#34987;损坏。

(3)测量电阻(负载电阻)能影响传感器的测量?#27573;А?/p>

测量电阻对传感器测量?#27573;?#20063;存在影响,所以我们需要精心选择测量电阻。用下式可计算出测量电阻:

其中,VAmin—扣除误差后的小供电电压;

e—传感器内部晶体管的电压降;

RS—传感器副边线圈的电阻;

ISmax—原边电流IP为大值时的副边电流值。

另外我们可以通过下式确认所选传感器的稳定性。

如果VAmin不符合上式,则会造成传感器的不稳定。一旦出现这种情况,我们可以有以下三种方法克服:

1)更换电压更大的供电电源;

2)减小测量电阻的值;

3)将传感器更换成RS较小的传感器。

例如,某种型号的电流传感器,其标?#32423;?#23450;电流IPN=1000A,匝数比NP/NS=1/2000,e值为1.5V,副边电阻RS=30Ω,测量电阻RM=15W,用15V电源单极性供电。则VA=30V(单极性供电是双极性供电的2倍), 而:

IS=IP×NP/NS =0.

VS=RS×IS=15V

VM=RM×IS=7.5V

通过

以上检验,可知这种传感器在此条件下测量能保证稳定性。它所能测量的原边电流的大值(即测量?#27573;В?#20256;感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称,通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时,则称为变送器。

变送器的概念是将非标准电信号转换为标准电信号的仪器,传感器则是将物理信号转换为电信号的器件,过去常?#21442;?#29702;信号,随之其他信号也将出现。一次仪表指现场测量仪表或基地控制表,二次仪表指利用一次表信号完成其他功能:诸如控制,显示等功能的仪表。

传感器和变送器本是热工仪表的概念。传感器是把非电物理量如温?#21462;?#21387;力、液位、物料、气体特性等转换成电信号或把物理量如压力、液位等直接送到变送器。变送器则是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件。或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。根据需要还可将模拟量变换为数字量。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。还有一种变送器不是将物理量变换成电信号,如一种锅炉水位计的?#23433;?#21387;变送器?#20445;?#20182;是将液位传感器里的下部的水和上部蒸汽的冷凝水通过仪表管送到变送器的波纹管两侧,以波纹管两侧的差压带动机械放大装置用指针指示水位的一种远方仪表。当?#25442;?#26377;把电气模拟量变换成数字量的?#37096;梢越?#21464;送器。以上只是从概念上说明传感器和变送器的区别。

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性能指标

* 执行标准:IEC688:1992,

B1单相交流电流变送器B1单相交流电流变送器

* 精度等级:≤1.0%.F.S

* 线 性 度:优于0.2%

* 响应时间:≤10Us

* 频率特性:0~10KHz

* 失调电压:≤20mV

* 温度特性:≤150PPM/℃(0~50℃)

* 整机功?#27169;骸?0 mA

B2直流漏电流传感器B2直流漏电流传感器

* 隔离耐压:输入/输出/外壳间 AC2.0KV/min*1mA

* 过载能力:2倍电流连续,30倍1秒

* 阻燃特性:UL94-V0

* 工作环?#24120;?10℃~50℃,20%~90%无凝露

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注意事项

* 注意产品标签上的辅助电源信息,变送器的辅助电源等级和极性不可接错,否则将损坏变送器;

* 电流方向与产品外壳上所标的箭头同向时,才能获得正向输出;

* 原边母线的温度不应超过60℃,电流母线填满原边穿线?#36164;保?#33719;得佳测量精度;

* 本系列变送器内部未设置?#35272;?#20987;电路,当变送器输入、输出馈线暴露于室外恶劣气候环境之中时,应注意采取?#35272;状?#26045;;

* 变送器为一体化结构,不可拆卸,同时应避免碰撞和跌落;

* 请勿损坏或者修改产品的标签、标志,请勿拆卸或改装变送器,否则公司将不再对该产品提供“三包?#20445;?#21253;换、包退、包修)服务。

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4新型产品

霍尔电压、电流传感器主要用于工业控制和独立的电压、电流测量,因此,一般都不标称与功率测量准确度密切相关的角差指标,因此,不适用于高精度的功率测量。

随着变频技术和节能技术的发展,有必要对各类变频调速装置的能效进行准确的评测,而电磁式电压、电流互感器一般只能准确测量工频正弦电路的功率。新型的变频功率传感器,是一种电压、电流组合式传感器,该类传感器直接输出数字量,并采用光纤进行传输,可以有效避免传输?#26041;?#30340;损耗和干扰。并且在较宽的频率?#27573;?#20869;具有较小的比差和角差,可以准确测量各类变频电量(电压、电流、功率和谐波等)。广泛应用于混合动力电动汽车、电动车、太阳能发电、风力发电、变频器、变频电机和燃料电池等的产品检验和能效评测。

英国出现了一种适合于安装在240伏-600安变电站主线上的电流传感器,这种传感器对变电站的电力输出进行监控,可以减少地方电网故障所造成的停电时间。电流传感器可以对供电电缆进行电流监控,若是电缆出线超负荷,这些电流传感器可将一部分负荷转移到其他相中,或者是新铺设的电缆中,保护电缆的安全使用和运?#23567;?/p>

随着智能电网的不断发展和升级,电流传感器也在技术、设计和效用等方面不断进行改进和完善,对冶金、化工等行业的电流测流具有重大作用。

基于智能电网的光纤电流传感器

新型光纤电流传感器就是智能电网快速发展的科技产物。我国推出了XDGDL-1光纤电流传感系?#24120;?#23454;现了管线电流传感系统的全数字闭环控制,具有稳定性和线性度好、灵敏度高等特点,满足了大量程?#27573;?#30340;高精度测量要求。

同时,该系统开发了一种?#19978;?#22330;绕制的伸缩结构,安装方便,可避免?#30001;?#30913;场的干扰,母线偏心的测量误差小于正负0.1%,实现了一种高精度信号转换方案,为整流器控制设备提供高精度模拟信号和标准数字通信接口。

基于TMR(隧?#26469;?#30005;阻)效应的电流传感器:

TMR磁感应技术在2004年工业应用于电脑硬盘领域, 使硬盘的存储密度有了质的飞跃,单碟TB级的存储硬盘进入民用市场。经过近10年的发展,TMR技术依?#25442;?#21457;勃勃生机。TMR磁感应效应和Hall技术类似,算是第四代磁感应技术。灵敏度,分辨率,功?#27169;?#28201;度特性?#21152;?0倍以上的提升。全芯片级制程控制提供可靠的?#20998;?#21644;合理的价格。现在国内有些厂家开始推出TMR技术的电流传感器。基于TMR芯片制造的电流传感可以在高灵敏度,温度稳定性,抗干扰性,小型化、集成化、智能化和低功耗方面有着出色的表现。

[3] 

工业升级发展促进电流传感器改进

在我国工业发展升级的驱动下,电力设备的安全性使用越来越受到重视。电流传感器作为一个兼具保护性和监控作用的工具,将会在未来的电网中起到更重要的意义。相比国外同类产品,国内的电流传感器技术还有很大的差距需要弥补和提高。

国内也逐渐涌现出有很多新型产业,都需要传感器的支持,无论是出于安全性考虑还是市场效益考虑,电流传感器将会趋于更加可靠,在低碳环保的要求下,小型化也是未来的一大趋势,这也将促进国内传感器厂商投入更多的经历开发?#24405;?#26415;和产品。在不久的将来,电流传感器将会在更多行业得到广泛应用,同时将为新?#23435;?#32852;网打?#27809;?#30784;。

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5应用领域


电流传感器应用于风力发电:风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74×109GW,其中可利用的风能为2×107GW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等,而新世?#20572;?#20154;们感兴趣的是如何利用风来发电,以及如何才能发电量大化。电流传感器作为主要的检测元件,在其中起到至关重要的作用 。

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6未来趋势


电流传感器未来的发展趋势有以?#24405;?#31181;特点:

1、高灵敏?#21462;?#34987;检测信号的强度越来越弱,这就需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

2、温度稳定性。更多的应用领域要求传感器的工作环境越来越严酷,这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性,行业应用包括汽车电?#26377;?#19994;。

3、抗干扰性。很多领域里传感器的使用环境没有任?#32441;?#27604;,就要求传感器本身具有很好的抗干扰性。包括汽车电子、水表等?#21462;?/p>

4、小型化、集成化、智能。要想做到以上需求,这就需要芯片级的集成,模块级集成,产品级集成。5、高频特性。随着应用领域的推广,要求传感器的工作频率越来越高,应用领域包括水表、汽车电?#26377;?#19994;、信息记录行业。

6、低功耗。很多领域要求传感器本身的功耗极低,得以延长传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片,?#25913;?#38024;等?#21462;?/p>

参考资料
  • 1.  光线电流传感器  .VFE.2015-3-2[引用日期2015-05-27]
  • 2.  霍尔电流传感器工作原理介绍及应用分析  .大比特商务网[引用日期2015-05-21]
  • 3.  希磁科技推出低成本、小体积、高性能电流传感器:STK-HD系列  .新浪网.2015-03-30[引用日期2015-03-31]

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