CN106018919B - 一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器，属于传感测量领域。包括：开口磁环、电流传感芯片、补偿线圈、采样电阻、仪表放大器、调零电路、电流输出模块和电源模块；电流传感芯片包括高灵敏度TMR传感芯片和低灵敏度TMR传感芯片，设置两个电流测量输出点；开口磁环套置在载流导线外，使载流导线穿过开口磁环的内孔，补偿线圈绕制在开口磁环上，高灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的开口气隙处，低灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的外部；高灵敏度TMR传感芯片与各组成部件组成闭环结构；低灵敏度TMR传感芯片与仪表放大器、调零电路组成开环结构。本发明具有量程大、频带宽、体积小、精度高、成本低、无侵入、便于安装维护等突出优点。
Description
技术领域
本发明属于传感测量技术领域，特别涉及一种采用高灵敏度和低灵敏度的两片隧道磁阻效应(TMR)传感芯片组成宽量程宽频带电流传感器，测量范围覆盖百微安泄漏电流至数千安冲击电流。
背景技术
智能电网的发展需要各方面技术的支持，其中先进的传感和测量技术是实现智能电网实时监测和控制的基础，对智能电网的实现具有重要意义。在目前的电力系统中，对输配电系统的监测还有待进一步完善，这主要是由于输配电系统中输电线路分布广泛、电气设备数量巨大、电压电流等级广泛，并且设备空间距离较小。具体到输配电系统中使用的电流传感器，其应当具有大量程、高精度、宽频带、小体积、低成本、便于安装维护等特点；尤其在量程和频带方面，传感器应当能够同时测量小至百微安级的泄漏电流和大至千安级的冲击电流。然而，目前较为成熟的电流传感器均不能全面满足上述要求：传统的罗科夫斯基线圈和电流互感器的铁芯需要环绕导线，制造复杂、绝缘困难、维护费用高，并且随着绝缘等级增加成本显著上升；光纤电流传感器简化了绝缘问题，提高了测量电流等级，但它结构复杂，价格昂贵，对外界振动、温度等变化敏感；磁光电流传感器具有光纤电流传感器的优点，但体积庞大、价格昂贵；磁通门电流传感器能够测量极高频电流和极微小电流，但同样造价昂贵、体积较大。
霍尔电流传感器技术成熟，根据测量原理的不同又可分为开环结构和闭环结构。开环霍尔电流传感器使用霍尔传感器直接检测电流，并将检测到的信号经过仪表放大器直接放大输出；这种方法结构简单、体积小，但线性度较差、频带较窄、稳定性差。闭环霍尔电流传感器，结构如图1所示，包括开口磁环2，霍尔元件3，仪表放大器4，调零电路5，补偿线圈6，采样电阻7，由NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2组成的电流输出模块。开口磁环2套置在载流导线1外，使载流导线1穿过开口磁环2的内孔，霍尔元件3置于开口磁环2开口气隙处，补偿线圈6绕制在开口磁环2上，霍尔元件3的输出端连接到仪表放大器4，调零电路5连接到仪表放大器4，仪表放大器4的输出端分别连接NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2的基极，NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2的发射级相连并连接补偿线圈6，补偿线圈6的另一端经过采样电阻7接地。闭环霍尔电流传感器将霍尔元件3的输出信号放大后，通过补偿线圈6引入补偿电流，补偿电流产生的磁场与待测电流产生的磁场抵消，通过检测补偿电流，间接得到待测电流值。相比开环霍尔电流传感器，闭环霍尔电流传感器具有线性度好、响应快、频带宽、噪声小等优点，但一般只用于检测大电流。另外，霍尔电流传感器普遍具有灵敏度低、温度稳定性差、线性度差等缺点，不能检测微弱电流。
隧道磁阻效应(TMR)是指磁性多层膜材料在磁场中电阻发生巨大变化的现象，基于隧道磁阻效应的电流传感器具有灵敏度高、测量范围大、温度稳定性好、功耗低、结构简单、体积小、成本低、非侵入等优点，非常适合智能电网尤其是配电系统对电流测量的需求。灵敏度较高的TMR传感芯片能够测量更加微弱的电流，但其饱和磁场强度一般较低，即同一片芯片不能同时对微安级电流和千安级电流进行测量。而且在测量百微安级泄漏电流时，由于泄漏电流产生的磁场非常微弱，环境以及传感器本身的噪声与有用信号幅值相当，对测量造成极大干扰甚至将有用信号淹没。这些都限制了TMR传感芯片在需要测量极小和极大电流场合的使用。
发明内容
本发明针对目前电流传感器不能同时测量百微安级泄漏电流和千安级冲击电流的问题，提出一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器。本发明主要解决了百微安级小电流测量、扩大电流传感器量程和过电压保护三个技术问题；量程大、体积小、精度高、成本低、无侵入、便于安装维护，能够满足智能电网尤其是配电网的测量需求，具有极高的使用价值。
本发明提出的一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器，包括：开口磁环、电流传感芯片、补偿线圈、采样电阻、仪表放大器、调零电路、反向串联TVS二极管、电流输出模块和电源模块；其特征在于，所述电流传感芯片包括高灵敏度TMR传感芯片和低灵敏度TMR传感芯片，设置两个电流测量输出点；其中，开口磁环套置在载流导线外，使载流导线穿过开口磁环的内孔，补偿线圈绕制在开口磁环上，高灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的开口气隙处，低灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的外部；所述高灵敏度TMR传感芯片依次连接仪表放大器、调零电路、电流输出模块、反向串联TVS二极管并与开口磁环、补偿线圈、采样电阻组成闭环结构，用于测量小电流；所述低灵敏度TMR传感芯片和调零电路连接到仪表放大器组成开环结构，用于测量大电流。
本发明的特点：
本发明提出的宽量程宽频带TMR电流传感器的特征在于使用高灵敏度和低灵敏度两片TMR传感芯片并分别采用闭环结构和开环结构扩展电流传感器的量程，同时高灵敏度TMR传感芯片和低灵敏度TMR传感芯片的位置经过特殊布置。其中闭环结构的特征在于电流输出模块使用具有大电流输出能力的运算放大器，并使用反向串联TVS二极管进行过电压保护。
本发明提出的宽量程宽频带TMR电流传感器能够实现百微安级泄漏电流至千安级冲击电流的测量。
本发明主要具有以下优点：
1、大量程，宽频带。本发明使用高灵敏度和低灵敏度的两片TMR传感芯片，扩大了可测电流范围，量程为百微安至数千安，同时整个测量系统具有较宽的频带，可对输配电系统中的泄漏电流以及冲击电流进行测量。
2、精度高。本发明对百微安至数安培的小电流和数安培至数千安的大电流采用不同的测量方案。小电流使用闭环测量方案，可有效抑制环境以及系统本身的噪声，提高系统的稳定性和精确度。大电流使用开环测试方案。在上述两个电流范围内实现了分段线性输出。
3、体积小，无侵入，便于安装维护。本发明提出的宽量程宽频带TMR电流传感器除开口磁环及绕制在上面的补偿线圈之外的其它部分均可集成在电路板上，传感器体积较小。安装使用过程中只需将载流导线穿过开口磁环中心，传感器与载流导线完全隔离，无侵入，维护安全方便。
4、低成本。本发明提出的宽量程宽频带TMR电流传感器只需使用TMR传感芯片、仪表放大器、运算放大器、磁环等元器件，制造成本大大降低，非常适合大规模应用。
附图说明
图1为闭环霍尔电流传感器的结构示意图。
图2为本发明提出的基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器的结构示意图。
图3结构为本发明提出的基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器的结构侧视图。
图中，1、载流导线，2、开口磁环，3、霍尔元件，4、仪表放大器，5、调零电路，6、补偿线圈，7、采样电阻，Q1、NPN型三极管，Q2、PNP型三极管，8、高灵敏度TMR传感芯片，9、低灵敏度TMR传感芯片，10、仪表放大器(包括仪表放大器10a和仪表放大器10b)，11、调零电路(包括调零电路11a和调零电路11b)，12、电流输出模块(包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和运算放大器U1)，13、电源模块，14、反向串联TVS二极管，15、小电流测量输出点，16、大电流测量输出点。
具体实施方式
本发明提出的一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明提出的一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器，其实施例结构如图2所示，包括：开口磁环2、补偿线圈6、采样电阻7、高灵敏度TMR传感芯片8、低灵敏度TMR传感芯片9、由仪表放大器10a和仪表放大器10b组成的仪表放大器10、由调零电路11a和调零电路11b组成的调零电路11、由电阻R1、电阻R2、电阻R3和运算放大器U1组成的电流输出模块12、电源模块13、反向串联瞬态抑制(TVS)二极管14、小电流测量输出点15和大电流测量输出点16；其连接关系为：
开口磁环2套置在待测载流导线1外，使载流导线1穿过开口磁环2的内孔，补偿线圈6绕制在开口磁环2上，高灵敏度TMR传感芯片8置于开口磁环2的开口气隙处，低灵敏度TMR传感芯片9置于开口磁环2的外部；所述电源模块13分别连接到高灵敏度TMR传感芯片8、低灵敏度TMR传感芯片9、仪表放大器10、调零电路11和电流输出模块12；所述高灵敏度TMR传感芯片8的输出连接到仪表放大器10a，仪表放大器10a的输出连接到电流输出模块12中的电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到运算放大器U1的同相输入端，调零电路11a连接到电流输出模块12中的电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到运算放大器U1的反相输入端，电流输出模块12中的电阻R2连接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间，运算放大器U1的输出端(即为电流输出模块12的输出端)连接到补偿线圈6的一端，补偿线圈6的另一端经过采样电阻7接地，补偿线圈6绕制在开口磁环2上，反向串联TVS二极管14连接在电流输出模块12的输出端与地之间；所述低灵敏度TMR传感芯片9的输出端连接到仪表放大器10b，调零电路11b的输出端连接到仪表放大器10b；小电流测量输出点15位于采样电阻7和补偿线圈6的连接处，作用是输出测量小电流的输出电压信号。大电流测量输出点16位于仪表放大器10b的输出端，作用是输出测量大电流的输出电压信号。其中，高灵敏度TMR传感芯片8、仪表放大器10a、调零电路11a、电流输出模块12、开口磁环2、补偿线圈6、采样电阻7和反向串联TVS二极管14组成闭环结构，用于测量小电流，量程为百微安至数安培。低灵敏度TMR传感芯片9、仪表放大器10b和调零电路11b组成开环结构，用于测量大电流，量程为数安培至数千安培。
本发明的上述电流传感器的各元器件的具体实现方式及功能分别说明如下：
本实施例的电源模块13采用常规产品，用于将±9V电池电压转换为±5V和±2.5V电压，±5V电压用于给仪表放大器10、调零电路11和电流输出模块12提供工作电源，±2.5V电压用于给高灵敏度TMR传感芯片8和低灵敏度TMR传感芯片9提供工作电源，同时+2.5V电压给调零电路11提供参考电位。
所述TMR传感芯片灵敏度在10mV/V/Oe以上即认为属于高灵敏度芯片，小于10mV/V/Oe认为属于低灵敏度芯片。
所述高灵敏度TMR传感芯片8和低灵敏度TMR传感芯片9均采用常规产品，其位置如图3所示，图3为本发明的部分结构侧视图，包括载流导线1、开口磁环2、补偿线圈6、高灵敏度TMR传感芯片8、低灵敏度TMR传感芯片9。其中，载流导线1穿过开口磁环2的内孔，补偿线圈6绕制在开口磁环2上，高灵敏度TMR传感芯片8位于开口磁环2开口气隙处，低灵敏度TMR传感芯片9位于高灵敏度TMR传感芯片8正上方，并置于开口磁环2开口气隙外部，低灵敏度TMR传感芯片9与开口磁环2上表面的垂直距离优选值为大于等于3cm，以避免开口磁环2对低灵敏度TMR传感芯片9所在位置处磁场的影响。高灵敏度TMR传感芯片8用于感应微弱电流并产生电压信号，使用闭环结构能够减小开口磁环外部磁场对测量系统的干扰，提高系统的稳定性，同时能够抑制噪声，有利于测量更加微弱的电流。低灵敏度TMR传感芯片9放置在开口磁环2之外，能够避免磁环聚磁作用的影响，提高最大可测电流值。
所述开口磁环2为圆环状并有开口气隙，开口气隙宽度应尽可能小，以恰好能够放入高灵敏度TMR传感芯片8为宜，以提高聚集磁场的能力，开口磁环2使用高磁导率材料制作，如铁氧体、坡莫合金等。
所述补偿线圈6绕制在开口磁环2上，线圈使用漆包线绕制，线径优选值2mm，匝数优选值50‐200匝。补偿线圈6中的补偿电流在开口磁环2的气隙中产生的磁场与载流导线1中的待测电流产生的磁场相抵消，使气隙保持在接近零磁通的状态。
所述采样电阻7将补偿电流转换为电压信号，通过检测采样电阻7上的电压信号可间接得到待测电流值，其关系如式(1)所示。式中，R为采样电阻7的阻值，K为开环放大倍数(电压/电流)，N为补偿线圈2的匝数，I0为待测电流值，Vout是小电流测量输出点15的输出电压信号。为了将微弱的补偿电流转换为可测的电压信号，采样电阻7的阻值应较大，优选值为500Ω-10kΩ。
本实施例的仪表放大器10包括仪表放大器10a和仪表放大器10b。仪表放大器10a用于放大高灵敏度TMR传感芯片8的输出电压信号。仪表放大器10b用于放大低灵敏度TMR传感芯片9的输出电压信号。仪表放大器10a和仪表放大器10b采用具有优良的高频特性、高共模抑制比、高放大倍数和低噪声的产品。
所述调零电路11包括调零电路11a和调零电路11b。调零电路11a连接到电流输出模块12，用于测量小电流的闭环系统的调零。调零电路11b连接到仪表放大器10b，用于测量大电流的开环系统的调零。调零电路11a和调零电路11b可采用常规的运算放大器组成。
所述电流输出模块12包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和运算放大器U1。电阻R1的一端连接到运算放大器U1的同相输入端，另一端连接仪表放大器10a。电阻R2的两端分别连接运算放大器U1的反相输入端和输出端。电阻R3的一端连接运算放大器U1的反相输入端，另一端连接到调零电路11a。电流输出模块12用于为补偿线圈6提供补偿电流，不使用互补结构的三极管作为电流输出模块能够避免三极管的0.7V导通电压，确保在测量极小电流时电流输出模块12仍能够提供补偿电流，有利于减小可测量的最小电流值。其中，运算放大器U1具有大电流输出能力、优良的高频特性和低噪声。
所述反向串联TVS二极管14并联在电流输出模块12的输出端和地之间。测量大幅值暂态电流时，补偿线圈6两端会感应出高电压，当电路过电压达到反向串联TVS二极管14的导通电压时，反向串联二极管14导通，为补偿线圈6中的电流提供泄流通道，并将运算放大器U1输出端电位箝位在反向串联TVS二极管导通电压，保护电路不受过电压损坏。
本发明的实施例中，开口磁环材料为铁氧体，外径35mm，内径19mm，开口宽度9mm，补偿线圈匝数为100匝，反向串联TVS二极管导通压降5V，采样电阻选择精密电阻，阻值10kΩ，TMR传感芯片灵敏度分别为100mV/V/Oe和2.2mV/V/Oe，其中高灵敏度TMR芯片置于磁环开口处，低灵敏度TMR芯片置于磁环外，在高灵敏度芯片正上方距离开口磁环上表面3cm处。电源模块使用芯片为LM7805、LM7905、REF5025、AD8642。仪表放大器10a使用集成芯片AD8429，运算放大器U1以及调零电路11a中的运算放大器使用包含两个运放的集成运放AD8012。仪表放大器11b使用三个运算放大器组成三运放仪表放大器，并和调零电路11b中的运算放大器一起使用一片包含四个运放的集成运放AD8044。电流输出模块中的电阻R1阻值为5kΩ，电阻R2、电阻R3阻值均为10kΩ。小电流测量输出点和大电流测量输出点通过SMA接口引出。该电流传感器能够对工频200uA电流以及1kA的1.2/50us冲击电流进行很好的测量，并不受过电压损坏，解决了电流传感器在直流至冲击频带范围内对极小和极大电流进行测量的技术问题。
Claims (7)
1.一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器，包括：开口磁环、电流传感芯片、补偿线圈、采样电阻、仪表放大器、调零电路、反向串联TVS二极管、电流输出模块和电源模块；其特征在于，所述电流传感芯片包括高灵敏度TMR传感芯片和低灵敏度TMR传感芯片，设置两个电流测量输出点；其中，开口磁环套置在载流导线外，使载流导线穿过开口磁环的内孔，补偿线圈绕制在开口磁环上，高灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的开口气隙处，低灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的外部；所述高灵敏度TMR传感芯片依次连接仪表放大器、调零电路、电流输出模块、反向串联TVS二极管并与开口磁环、补偿线圈、采样电阻组成闭环结构，用于测量小电流；所述低灵敏度TMR传感芯片和调零电路连接到仪表放大器组成开环结构，用于测量大电流。
2.如权利要求1所述电流传感器，其特征在于，所述电流输出模块包括三个电阻和一个运算放大器，其中，第一电阻R1连接在运算放大器的同相输入端，第三电阻R3连接在运算放大器的反相输入端，第二电阻R2连接在运算放大器的反相输入端与输出端之间。
3.如权利要求1所述电流传感器，其特征在于，所述电流传感器还包括连接在电流输出模块的输出端与地之间的反向串联TVS二极管。
4.如权利要求1所述电流传感器，其特征在于，所述调零电路采用两个由运算放大器组成的调零电路，分别设置在闭环结构和开环结构中。
5.如权利要求1-4任一项所述电流传感器，其特征在于，所述电流传感器还包括电源模块，用于将±9V电池电压转换为±5V和±2.5V电压，其中±5V电压用于给仪表放大器、调零电路和电流输出模块提供工作电源，±2.5V电压用于给高灵敏度TMR传感芯片和低灵敏度TMR传感芯片提供工作电源，同时+2.5V电压给调零电路提供参考电位。
6.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述低灵敏度TMR传感芯片位于高灵敏度TMR传感芯片正上方，并置于开口磁环开口气隙外部，低灵敏度TMR传感芯片与开口磁环上表面的垂直距离大于等于3cm。
7.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述开口磁环为圆环状并有开口气隙，开口气隙宽度恰好能够放入高灵敏度TMR传感芯片。
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