低成本茹科夫斯基线圈传感器

摘要

本发明涉及低成本茹科夫斯基线圈传感器及其制造方法。在各个实施例中，包括绕柔性载体缠绕的线圈的低成本茹科夫斯基线圈传感器设置有可靠的并行入口闭合机构。

说明书

相关申请

本申请要求递交于2012年3月28日的美国专利申请13/432,228的利 益和优先权，该申请的全部公开内容通过引用合并于本文。

技术领域

本发明一般涉及精确的、低成本的茹科夫斯基线圈电流传感器及其制 造方法。更具体地，一个实施方案涉及将传感器的自由端和终止端对准从 而闭合传感器环路的结构和方法。

背景技术

能够通过交流电流产生的振荡磁场来感应地测量交流电流。图1示出 了作为实例的直线载流电线100的磁场，其特征在于，在垂直于电线100 的平面内的圆形磁场线102。如果磁场强度由于基础电流的变化而变化， 则能够通过磁场线102周围的感应线圈104来测量磁场强度。但是，一般 而言，磁传感器不仅对关注电线(下文称为“主导体”)的磁场敏感，而 且对本地干扰磁场敏感，这会得到不正确的电流读数。而且，许多传统的 基于感应的电流传感器，诸如例如铁芯变压器，遭遇了刚度和/或笨重的问 题，这会妨碍它们安装在拥挤空间中，因此对于其在各种应用中的使用施 加了实际的限制。

茹科夫斯基线圈传感器能够克服与其它电流传感技术相关联的许多 问题。图1示出了典型的茹科夫斯基线圈传感器110的基本结构并且图示 说明了其工作原理。传感器110包括测量头，测量头包括缠绕到通常是非 铁类的芯(例如，在最简单的情况下是空气)上的螺旋线圈112，返回路 径114从线圈的端部116通往起点118。线圈112变成返回路径114的端 部通称为测量头或传感器的“自由端”；线圈112的起点118和返回路径 114的端部所在的另一端称为“终止端”。测量头绕主导体100弯曲成大致 闭合路径(或“环路”)。(本文所使用的术语“大致闭合”允许在测量头 的自由端和终止端之间有较小的间隙或重叠，在实际情况下这通常不能完 全避免，但是不影响测量达到大于5％的水平)。为了利于传感器110的简 易使用和再次使用，并且为了避免将导体断开以利于传感器布置的需要， 测量头可充分柔性以允许环路重复地打开和闭合。

多匝线圈112围绕的磁场的变化，即主导体100的磁场的变化，诱发 了测量头的末端120、122(即，线圈112的起点和返回电线114的端部) 之间的电压。返回路径114起到减除可能由于线圈环所包围的磁场130而 在线圈112的端部116、118之间感应的任何额外电压的作用。因此，测量 头允许在拒绝来自干扰磁场的非期望信号的同时测量主导体100中的电 流。通常，返回路径114沿着线圈112的中心轴线延伸。然而，还可以使 用可替代的布置，诸如返回线圈缠绕到线圈匝的第一层的顶部。为了提高 测量精度，大多数茹科夫斯基线圈110还包括连接在测量头的末端120、 122之间的积分器电路124。积分器电路124随时间对感应电压进行积分， 从而恢复测量的交流电的原波形。

为了提供精确的电流读数，茹科夫斯基线圈传感器110优选地具有均 匀截面以及恒定匝密度的线圈112，即相邻匝之间的均匀间距。然而，由 于在自由端与终止端之间的间隙或重叠，通常在线圈环的闭合区域中出现 非均匀性。虽然补偿用电子器件原理上能够减小这些非均匀性的影响，但 是其增加了传感器的成本并且要求对每个传感器进行单独校准和调谐。因 此，市场上可用的传感器通常遇到测量精度和价格之间的折中问题。该问 题在便携式测量应用中加剧，其中在每次安装到新导体周围后都需要对传 感器进行重新调谐(如果传感器永久地安装到一个主导体周围，则无需这 样)。因此，对于可靠地提供不同导体的精确电流测量的低成本的、柔性 的和便携式的茹科夫斯基线圈传感器存在需求。

发明内容

本发明提供了这样的茹科夫斯基线圈传感器：其制造廉价，易于布置， 同时提供了用于将线圈的自由端和终止端彼此紧邻精确对准的可靠机构， 由此实现了传感器环的高测量精度。在各个实施例中，线圈缠绕到其中嵌 入了返回路径导体的柔性的、带状载体(由例如注塑成型用塑料制成)上。 载体可以在任一端或两端上延伸超过线圈长度，允许线圈配线的自由端环 绕地抵接终止端(以使线圈的两端与垂直于线圈轴线的平面对准且平齐)， 同时线圈的两个端部重叠。组合的罩、导向夹和锁定机构可以定位在载体 的一端处以覆盖载体中的空腔，当传感器弯曲成围绕主导体的环时辅助载 体端部的对准，并且将载体的端部紧固到一起。导向夹可以具有矩形截面， 该截面可具有高纵横比(例如，至少2:1的宽度-高度比)，这提供了自然 对准的平面边缘。

为了限制自由端和终止端之间的相对运动并且将它们锁定成闭合构 造，锁定机构可以包括推接式闭合机构(类似于带扣的闭合机构)，或者 可替代地，类似于并行入口缆线结的闭合机构。位于载体一端处的导向夹 接纳载体的另一端从而将端部横向(即，在垂直于线圈轴线的方向上，以 及因此在垂直于传感器环的周向的方向上)对准。锁定机构可以构造成提 供传感器环的固定的、预定的直径。该预定的直径可以通过制造特定长度 的载体，言外之意制造特定长度的卷线轴来实现。该载体仅具有单闭合位 置，使得形成预定周长的环。这些环是预定的、可重复的，并且可通过载 体长度设定或者通过载体本身上的模制凸耳的横向位置来设定。卷线轴可 设计成当其载体闭合时形成精准的闭环。

在一个方案中，茹科夫斯基线圈传感器包括柔性载体和导电配线布 置，所述柔性载体包括第一端和第二端，导电配线布置包括缠绕到所述载 体上的线圈以及返回路径导体。位于载体第一端处的组合单元配置成：(i) 可滑动地接纳载体的第二端穿过其中从而将沿线圈轴线将第一端与第二 端对准；以及(ii)将第一端紧固到第二端从而将传感器锁定成闭环构造。

组合单元可以进一步配置成密封载体的第一端内的空腔，并且可以包 括用于可滑动地接纳载体的第二端的导向夹、用于将第一端紧固到第二端 的锁定机构，以及具有用于密封空腔的模制定位销的罩。锁定机构可以包 括掣爪，并且载体的第二端可以包括用于与掣爪啮合的狭槽(掣爪和狭槽 一起形成棘轮)。锁定机构还可以或者可替代地包括锁定柱，并且载体的 第二端还可以或者可替代地包括导向孔。载体可以包括聚合物材料和/或电 子电路。载体和空腔可以形成整体式地注塑成型的聚合物结构。

组合单元可以包括与载体分离且能够固定到载体上的结构，和/或可以 固定地定位在载体的第一端处。载体可以包括围绕其表面用于将返回路径 导体固持在其中的螺旋槽。返回路径导体可以同轴地通过线圈取路返回或 嵌入到载体中。载体的截面可以是矩形的，并且可以具有至少2：1的纵 横比。组合单元可以限制第一端和第二端之间沿线圈轴线的相对运动和/ 或限制第一端与第二端之间沿径向路径的相对运动。在闭环构造中，线圈 的自由端可在垂直于线圈轴线的平面中与线圈的终止端平齐，和/或线圈的 匝密度可以在整个环中大致恒定。

在另一方案中，利用茹科夫斯基传感器来测量通过缆线的电流的方 法，所述茹科夫斯基传感器包括柔性载体、包括绕载体缠绕的线圈的导电 配线布置以及嵌入载体中的返回路径导体。传感器绕缆线缠绕成闭环构 造，该闭环构造具有期望的闭合长度。载体的第二端插入到布置在载体的 第一端处的组合单元中，从而可滑动地接纳载体的第二端穿过其中，从而 沿线圈轴线将第一端与第二端对准并且将第一端紧固到第二端，从而将传 感器锁定成闭环构造。确保传感器处于闭环构造，并且在线圈和返回路径 之间建立电连接。

通过参照下面的说明书、附图和权利要求书，这些和其它目的连同本 文公开的本发明的优点和特征将变得更加显而易见。此外，应理解的是本 文描述的各个实施方案的特征并不相互排斥，而是能够以各种组合和置换 共存。除非本文明确限定，否则术语“大致”是指±10％(例如，长度)， 在一些实施方案中为±5％。

附图说明

当特别地结合附图进行下面的详细说明时，前面的描述将更加易于理 解，其中：

图1示意性地图示出示例性的茹科夫斯基线圈传感器的结构和工作原 理；

图2是依照一个实施方案的茹科夫斯基线圈传感器的载体的示意性立 体图；

图3是依照一个实施方案的用于茹科夫斯基线圈传感器的组合式的空 腔罩、导向夹和锁定机构的示意性剖视图；

图4是依照一个实施方案的组合式的、空腔罩、导向夹和锁定机构的 端视图；

图5是依照一个实施方案的组合式的空腔罩、导向夹和锁定机构与载 体配合的示意性立体图；

图6是依照一个实施方案的图5的茹科夫斯基线圈传感器的示意性剖 视图，图示说明了载体的自由端以及相对的模制凸耳；

图7是依照一个实施方案的用于与组合式的罩、导向夹和锁定机构中 的锁定机构啮合的载体中的狭槽的示意图；

图8是依照一个实施方案的组合式的罩、导向夹和锁定机构的纵向剖 视图，显示出与缆线结棘轮机构类似的掣爪机构；

图9是依照一个实施方案的用于图2的茹科夫斯基线圈传感器的另一 类型的锁定机构的示意性剖视图，示出了组合式的罩、导向夹和锁定机构；

图10是依照一个实施方案的组合式的罩、导向夹和锁定机构的端视 图，显示出用于将组合式的罩、导向夹和锁定机构定位到图2的载体结构 上的中央锁定柱和锁定销；

图11是依照一个实施方案的图2的茹科夫斯基线圈传感器与图9的组 合式的罩、导向夹和锁定机构配合的示意性剖视图，图示出载体的自由端 通过锁定柱锁定到其最终位置；

图12是依照一个实施方案的图2的茹科夫斯基线圈传感器的载体和 返回路径导体的剖视图；以及

图13是依照一个实施方案的茹科夫斯基线圈传感器的示意性剖视图， 显示出绕中央导体组装到适当位置上。

具体实施方式

图2图示出依照本发明的一个实施方案的茹科夫斯基线圈传感器200。 传感器200包括构造成三个部分的带状载体202：中央部204(或“卷线 轴”)，线圈206缠绕到该中央部上；第一端部208，其对应于传感器200 的终止端并且包括包含传感器电子器件的头模块210；以及第二端部212， 其对应于自由端且包括具有锁定机构的区域214(诸如用于锁定销的导向 孔、与掣爪啮合的狭槽、或任何其它此类机构，如下面更详细说明的)。

如图所示，载体202具有矩形截面并且具有超过其厚度d的宽度w， 例如比率至少为2:1。该高的纵横比，连同载体202的平面的上表面和下 表面一起，有助于在环闭合期间自由端和终止端的对准。然而，在载体截 面具有低的纵横比或者偏离矩形形状的构造中能够保持本文所描述的优 选实施方案的多个优点；例如，载体可具有方形、大致多边形(例如，六 边形)或圆形(例如，圆形或椭圆形)的截面。

载体202可以由柔性材料制成，诸如例如软塑料，以使其可以在主导 体周围折叠或弯曲。线圈206的第一端218缠绕载体202到端部212并且 经由中央狭槽220返回。可以经由从卷线轴的外部通往中央狭槽的开口 220A来实现到该中央狭槽的通路。使得返回绕组可经由线圈206的第二端 222而用于头模块210。头模块210下方的成型物224可包含连接销以允 许头模块210内的传感器电子器件与例如外部计量表之间的通信。载体202 的第一端部208中的导向孔226可以用于与罩单元配合，如下面参考图3 更详细说明的。

图3图示出组合单元300的一个实施方案，其包括罩、导向夹和锁定 机构。组合单元300的下表面302与载体202的第一端208中的导向孔226 配合，从而覆盖并密封头模块210中的传感器电子器件。载体202的第二 端212缠绕到一个或多个待测量导体上并且接纳在组合单元300中的开口 304内。组合单元300的侧壁306确保线圈206的起始处与末端之间的正 确对准，如下面更详细说明的。组合单元300可以包含与载体202的第二 端212啮合的模制掣爪或锁定销(未示出)。

在图4中示出了组合单元300(参见图3)和侧壁306的一个实施方 案400的截面。还示出了在下表面302上用于与导向孔226配合的销402。 在该实施方案中，锁定棘轮404附接到单元300的上部406，用于与载体 202的第二端212接口。棘轮404可以包含模制掣爪，如下文参考图8进 一步详细说明。图5示出了组合单元400如何可附接到载体202的第一端 208中的孔226。

在图6的侧视图中显示了组合单元400、载体202的第一端208以及 载体202的第二端212；组合单元400附接到第一端208，并且显示出在 第二端212从导体周围返回之后附接到组合单元400。模制凸耳602可以 充当载体锁定机构的止挡件，从而确保线圈206的两端604、606终止于 同一平面中(由虚线608表示)。注意，线圈绕组位于终止端的第一匝距 平面608一个节距定位。显示出一个模制凸耳602；另一凸耳602可以用 在载体202的第二端212的相对侧上。图6还示出了用于线圈206的绕组 的两端218、222的锚定件610和传感器电子器件612(例如信号波形加工 芯片)。还示出了用于将组合单元400紧固到载体202的定位销402。

在该实施方案中使用的锁定机构的零件在图7中更详细地显示出。载 体202显示具有模拟凸耳602，如上所述。还示出了狭槽702，其可用于 啮合组合单元400中的掣爪。掣爪啮合载体202中的狭槽702，如图8中 的截面所示，以及如正确地定位载体的低位导向壁的虚线图示804所示。 还示出了后定位销402之一。在操作时，载体202缠绕到导体100上，并 且第一端208(附接有组合单元400)与第二端212接近。第二端212插 入组合单元400中的开口304中并且在其中滑动直到狭槽702与掣爪802 啮合。如本领域技术人员将理解的，掣爪802和狭槽702构造成使得第二 端212可以仅沿一个方向移动通过开口304；掣爪802啮合一个狭槽702 并且防止第二端212退回。可通过开口304拉动第二端212直到模制凸耳 602接触组合单元400的表面，从而防止第二端212的进一步插入。

在另一实施方案中，如图9所示，锁定柱902和导向孔904用来将载 体202锁定到适当位置上。在该实施方案中，组合式的罩、导向夹和锁定 单元906包括锁定柱902、用于确保载体202的正确对准的侧壁908以及 用于与载体202中的孔910配合的定位销402(图9中未示出)。在图9中 未显示载体202的全长；第二端212缠绕而使得导向孔904与导向柱902 啮合。导向孔904可以单独使用或者与提供到中央狭槽220的通路的开口 220A相结合来使用，如上文参考图2所描述的。图10示出了组合单元906 的前视图，再次显示出锁定柱902、侧壁908和定位销402。为使用该实 施方案，用户将载体202缠绕到导体100上，并且第一端208(附接有组 合单元400)与第二端212接近，如上所述。第二端212置于组合单元400 的侧壁908内，并且第二端212定位成使得导向孔904与锁定柱902配合。 一旦配合，从缠绕到导体100上的载体202的力施加的张力保持第二端212 与组合单元400附接。

在图11中，显示出组合单元906与载体202配合，并且显示出锁定柱 902与导向孔904啮合。还可行的是，柱902可以包含模制唇缘部以在载 体的自由端按压到柱上时防止随后的径向运动。如上文参考图6所描述的， 锚定件610可用于紧固线圈206，线圈206可以与传感器电子器件612电 连接。成型物224可包含允许外部通信的连接销。

图12示出了包括中央狭槽220的载体202的剖视图。如图所示且如 上文所描述的，线圈206的返回路径布置在中央狭槽220中。如果包括载 体202的材料是非导电的，则导体可以单独地置于中央狭槽220中，因为 线圈206的返回路径借助于中央狭槽220的深度与线圈206的伸出的盘绕 部分物理地分离。在其它的实施方案中，线圈206的返回路径被覆盖或涂 覆了绝缘材料。

在图13中显示出本发明的实施方案位于待测量的载流导体1302周围 的适当位置上。显示出锁定柱902和导向孔904的截面，并且显示电线1304 与成型物224连接以提供到外部装置(例如计量表)的连接。载体202和 线圈206的环绕导体1302的部分由曲线1306来表示。如上所述，用户可 以将载体202缠绕到导体1302上并且利用组合单元400来紧固载体202 的第一端208和第二端212。

如(例如)图6中所图示的，线圈的匝密度通常在绕组的整个长度上 大致恒定。在一些实施方案中，组合式的罩、导向夹和锁定机构被谨慎放 置而使得在传感器的闭合构造中线圈绕组的自由端与终止端(如图6中的 虚线608所示)轴向平齐，或者换言之，使得线圈绕组在自由端的最后一 匝在周向上与线圈绕组在终止端的第一匝分离一个节距，即，分离两个相 邻线圈匝之间沿绕组的距离(在可接受误差裕度内，例如±10％，或者在 一些实施方案中为±5％)。结果，匝密度在整个传感器环上大致恒定，这 通常提高了传感器的测量精度，并且可以消除对于补偿电子电路的需要。 可以根据需要来调节第一线圈匝和最后一个线圈匝之间的间距，以补偿由 产生于环形构造中载体端部重叠的自由端与终止端之间的径向(或“垂 直”)距离引入的任何测量误差。有益地，载体的优选的高纵横比保持径 向距离较小，并且保持其可能具有的任何畸变效应较小。

在图9-11所示的传感器实施方案中，传感器环在闭合构造中具有特定 的、预先确定的周向长度(并且因此，如果为圆形，环具有固定的、预先 确定的直径)，该周向长度是由成型到载体的自由端中的导向销的位置确 定的。图2-8示意性地图示出备选的传感器，其中环的长度是由位于载体 自由端处的相对成形的止挡凸耳的横向位置确定的。传感器的自由端插入 到组合式的罩、导向夹和锁定机构中，直至从载体突出的相对成型的止挡 凸耳撞到锚定件的壁，从而防止环的任何进一步紧固；止挡凸耳因此确立 了传感器环的最小直径。可通过将成型的止挡凸耳置于沿载体的自由端的 不同横向位置上来产生不同的传感器周长。

如上所述，茹科夫斯基线圈传感器可制成各种尺寸并且具有取决于特 定应用的相对尺度。在一个示例性实施方案中，传感器的总长度为大约 300mm，包括260mm长的线圈绕组，线圈绕组具有260匝以及1mm的节 距。当缠绕到载体上时，线圈可具有大约2.5mm×7mm的截面尺度；典型 的返回路径导体可以为1.5mm宽以及0.1mm厚。当线圈的端部连接时， 传感器环的内径可在大约7cm和大约9cm之间。

利用本领域技术人员公知的技术，载体可以在平坦布局中注塑成型。 简言之，液体聚合物浇入模具空腔中(模具由例如金属制成)、固化，然 后被移除以获得完成的塑料零件。在各个实施方案中，卷线轴(即，线圈 缠绕到其上的载体零件)和其中可集成有头腔/模块的载体端部整体成型。 出。类似地，(例如)图9的组合式的空腔罩、导向夹和锁定机构类似地 设计成使得其能够制成整体件，无需滑动动作。类似地，图3的组合式的 空腔罩、导向夹和锁定机构可以整体成型出，但是可能需要滑动动作。

可由任何适当的导体材料(例如，铜)制成的返回路径可以嵌件成型 到载体中，即，在成型过程中位于模具内，以使聚合物在返回路径导体已 经处于适当位置的情况下固化。可替代地，载体可以制成有在载体中纵向 产生的适当尺寸的空腔或狭槽，在塑料零件制成之后返回路径导体被接纳 在该空腔或狭槽中。在又一实施方案中，载体可以由与返回路径导体组装、 然后结合或者以其他方式彼此附接以形成单一结构的多个件形成。在一些 实施方案中，载体由现用套层导体制成。在另外的实施方案中，返回路径 载体和线圈绕组可形成有单一连续电导体；返回路径首先填充导体且通过 适当的装置保持在适当位置上，然后使导体到达卷线轴之外且沿卷线轴朝 向终止端反向螺旋缠绕。

为了容纳线圈绕组，螺旋轨道可以成型到卷线轴中，产生精确的和一 致的各个匝以及匝到匝间距。导电电线(其可由铜或另外适当的材料制成) 随后缠绕到轨道上。优选地，绕组是连续的，即，不包括任何可能降低测 量精度的断裂处。在一些实施方案中，电线缠绕到具有平滑表面而不具有 凹槽的载体上。电线可通过薄的护套与其周围绝缘，诸如聚合物包覆成型 件、热缩管道(即，由在加热时收缩的通常为尼龙或聚烯烃制成的护套) 或挤出管道，或粘合剂涂层。

一旦线圈和返回路径导体已经与载体集成，它们可以例如通过焊接在 自由端电连接。可替代地，可以经由成型过程来形成导电连接。在终止端 处，预制的电子电路可以连接在线圈和返回路径之间。最后，任何单独制 造的部件，诸如例如固位夹，可以组装到载体上以产生最终的传感器产品。

在使用时，茹科夫斯基线圈传感器可以在观测下缠绕到电缆上，闭合 以形成环，并且拉紧。通常，传感器弯曲成单个的、大致圆形或椭圆形的 环。然而，如本文所描述的柔性的传感器可以弯曲成任何期望的形状(例 如，数字8的形状)。因此，可以容易地在紧凑空间中使用。载体的末端 部，通常包括头模块，可以比卷线轴更硬，因此与传感器环的其余部分相 比保持相对平坦(使得环偏离于完好的圆形形状)。有益地，更直的端部 减小了电子电路上的应力，因此延长了传感器的使用寿命。如上所图示的， 一些传感器实施方案构造为用于特定直径。这种类型的传感器可以有利于 传感功能要求可重复环尺寸以及因此要求可重复传感器灵敏度的应用。

依照各个实施方案的茹科夫斯基线圈传感器的有益特征在于精确的、 可靠的闭合机构，这使得具有更紧凑的工作区域，并且有利于在不断开缆 线的情况下将传感器安装在缆线周围。不妨碍现有的配线或缆线的改装的 电流传感器在许多电流传感应用中是重要的，包括例如在住宅或其他建筑 物的断电盒中的电流监控。典型的家用断电盒具有十个以上的缆线，缆线 将电力送到房屋中的各个电路。为了实现“智能房屋”，通常需要对各电 路的用电进行单独监控。该监控可利用如本文所描述的柔性茹科夫斯基线 圈线圈传感器来容易地实现，该柔性茹科夫斯基线圈线圈传感器可以安装 在缆线的周围，而无需重新排布现有的配线。此外，传感器锁定机构的高 闭合完整性最小化或者基本消除了传感器对磁干扰、串扰和非期望信号拾 取的敏感性，得到精确的电流读数。如本领域技术人员显而易见的，本文 所描述的茹科夫斯基线圈线圈传感器还可有益地用于许多其他背景下。

上面描述了本发明的一些实施方案。然而，明确指出的是本发明不限 于那些实施方案。相反，各种添加和修改以及本文所描述的各特征的组合 也包含在本发明的范围内。例如，线圈闭合机构通常可以包括一个或多个 对准、固位或锚定结构的任何适合的组合，并且这些结构可以偏离于上述 的具体结构而不丧失它们的相关功能(例如，可通过钩环结构来替代推落 式结构)。根据预期的应用，对准、固位和锚定结构可以是或者可以不是 可释放的。此外，虽然在图6的之前描述中，线圈自由端固定到环的外表 面上，但是闭合机构可以被直接调节以将自由端固定到环的内表面，如(例 如)图13中所示。对准和/或固位结构还可以定位在自由端而不是终止端 处。另外，本文所描述的闭合机构可用于刚性或半柔性传感器或者具有非 矩形截面的传感器，相反，为柔性的和/或具有矩形截面的传感器的各种优 点可在与除了本文所述的闭合机构之外的闭合机构相结合而得以保持。特 别地，本文所描述的制造技术可应用于可选的传感器设计。不偏离本发明 的精神和范围的许多的变型例、改进方案和其他实现方式对于本领域普通 技术人员而言将是显然的。

因此，虽然已经参照具体的细节描述了本发明，除了随附的权利要求 书之外以及在它们包含在随附的权利要求书中的程度上，不意味着这些细 节应视为对本发明范围的限制。