CN203630195U - 巨磁阻电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型巨磁阻电流传感器，涉及用于测量电流的装置，由电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分组成，其中，电磁转换模块包括聚磁环磁芯、原边绕组和巨磁电阻芯片，信号放大模块包括运算放大器和推挽功率放大器，反馈补偿模块为反馈绕组；其整个测量回路构成闭环系统，巨磁电阻芯片与聚磁环磁芯构成一个封闭的结构，克服了现有技术的巨磁电阻电流传感器在测量时极易被杂散外磁场干扰、无法完全消除温漂与零漂、磁性器件存在固有的磁滞现象影响测量精度的缺陷。
Description
技术领域
本实用新型的技术方案涉及用于测量电流的装置，具体地说是巨磁阻电流传感器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，高精度、宽频带电流传感器的应用越来越广泛。最近十年来电流传感器取得了较大的发展。根据测量原理的不同，电流传感器大体分为基于欧姆定律、电磁感应定律、霍尔效应、罗氏线圈和磁通门几种；根据使用的方法的不同，电流传感器可分为接触式和非接触式两种类型。由于非接触式电流传感器进行电流测量可以保证工作人员的人身安全和系统的稳定运行，应用范围更加广泛。非接触式电流传感器，一般是基于磁场的测量。现有的磁场测量方法有磁通量计、磁通门技术以及磁敏传感器。磁敏传感器由于具有集成度高、体积小和结构简单的优点，受到越来越多的重视。目前的磁敏传感器主要有霍尔元件和巨磁电阻元件。其中，霍尔电流传感器能够检测几千安培的电流，精度范围在0.5%到2%之间，但是霍尔元件灵敏度低，温漂和零漂严重，在高精度测量方面受到限制。现有的的巨磁电阻传感器主要应用在磁性编码器、电子罗盘、硬盘读写磁头以及电磁无损检测等领域。与霍尔元件相比，巨磁电阻传感器具有低温漂和低零漂的优点，并且灵敏度高，在高精度电流检测方面有无可比拟的优势。
国际上已经报道了几种巨磁电阻电流传感器的结构，Z.Qian等为了解决电磁电流互感器在电力系统中的应用的隔离的问题，提出了一种基于巨磁阻效应的电流传感器。István Jedlicska等人通过数值解析方法消除磁滞影响，使输出特性线性化程度提高，增加了巨磁阻传感器的测量精度，所设计的传感器在保证精度不降低的前提下，测量范围几乎接近磁饱和点。为了达到基于点磁场的电流检测的目的，Erik R.Olson和Robert D.Lorenz对载流导体周围磁场的动态特性进行了研究，提出了一种空间相关性度量标准，即5%平稳带宽准则，用于优化磁场探测器位置。同时，Erik R.Olson和Robert D.Lorenz两人应用基于点磁场巨磁阻探测器阵列的集成电流传感器来实现对被测的电流信号提取以及对未知的扰动场信号的分离。然而，现有技术在仅用巨磁电阻元件对磁场进行测量时，存在以下问题：巨磁电阻元件对磁场非常敏感，测量时极易被杂散外磁场干扰；无法完全消除温漂与零漂；磁性器件存在固有的磁滞现象，影响测量精度。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供巨磁阻电流传感器，其整个测量回路构成闭环系统，巨磁电阻芯片与聚磁环磁芯构成一个封闭的结构，克服了现有技术的巨磁电阻电流传感器在测量时极易被杂散外磁场干扰、无法完全消除温漂与零漂、磁性器件存在固有 的磁滞现象影响测量精度的缺陷。
本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：巨磁阻电流传感器，由电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分组成，其中，电磁转换模块包括聚磁环磁芯、原边绕组和巨磁电阻芯片，信号放大模块包括运算放大器和推挽功率放大器，反馈补偿模块为反馈绕组；原边绕组穿过聚磁环磁芯，反馈绕组均匀绕在聚磁环磁芯上，反馈绕组一端与推挽功率放大器相连接，反馈绕组另一端连接一个采样电阻，巨磁电阻芯片与聚磁环磁芯和反馈绕组构成闭环系统式的测量探头，聚磁环磁芯将原边电流所产生的磁场进行聚集之后，作用于巨磁电阻芯片，巨磁电阻芯片在感受到磁场的作用之后，将会有电压信号输出，该输出的电压信号送入运算放大器，运算放大器与推挽功率放大器连接，上述输出的电压信号经过运算放大器和推挽功率放大器进行放大之后，加到采样电阻上，形成反馈电流，该反馈电流经过反馈绕组产生反馈磁场，由此电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分构成测量回路闭环系统。
上述巨磁阻电流传感器，所述聚磁环磁芯的构成材料是坡莫合金材料，其电阻率为0.56μΩ·m，居里点为400℃，饱和磁感应强度为Bs=0.7T，饱和磁感应强度下的矫顽力Hc不大于1.6A/m，直流磁性能满足在0.08A/m磁场强度中的磁导率不小于37.5mH/m；聚磁环磁芯是圆环形磁环，该磁环的内径为20mm、外径为25mm、高为7mm、气隙长度为5mm、横截面为长为7mm和宽为5mm的矩形。
上述巨磁阻电流传感器，所述巨磁电阻芯片即GMR芯片，采用东方微磁科技有限公司的VA110F3
上述巨磁阻电流传感器，所述原边绕组的匝数为1匝。
上述巨磁阻电流传感器，所述反馈绕组的匝数是120匝。
上述巨磁阻电流传感器，所述采样电阻为20欧姆。
上述巨磁阻电流传感器，所述运算放大器的型号是INA118，推挽功率放大器的型号是L165。
上述巨磁阻电流传感器，所涉及的零部件和原材料均通过公知途径获得，组装的方法是本技术领域的技术人员所能掌握的。
本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型的突出的实质性特点是：
（1）本实用新型巨磁阻电流传感器的工作的原理和流程是：原边绕组中的原边电流即被测电流所产生的磁场经过聚磁环磁芯聚集之后，作用于巨磁电阻芯片，该巨磁电阻芯片在感受到磁场的作用之后，将会有电压信号输出，该输出的电压信号经过运算放大器和功率放大器进行放大之后，加到采样电阻上，形成反馈电流，该反馈电流经过反馈绕组产生反馈磁场，当反馈磁场与原边绕组产生的磁场的大小相等时，反馈电流不再减小，就达到了零磁通的工作状态，此时的原边电流和反馈电流的关系即：N1Ip＝N2Ic。由此精确测得被测电流的电流值。
（2）如上所述，当反馈磁场与原边绕组产生的磁场的大小相等时就达到了零磁通的工作状态。由于被测电流的任何变化都会破坏闭环系统达到的这一平衡，而一旦磁场失去 平衡，巨磁电阻芯片就有电压信号输出，此信号经放大后，立即有相应的反馈电流即补偿电流流过反馈绕组对失衡的磁场进行补偿，以达到新的平衡。由于上述的平衡过程所需的时间小于1μs，因此决定了本实用新型巨磁阻电流传感器的具有较快的响应速度。
（3）本实用新型巨磁阻电流传感器采用了闭环系统，将原边电流产生的磁场输出端在巨磁电阻芯片中产生输出电压，经过放大后加到采样电阻上，形成反馈电流，反馈电流产生反馈磁场，抵消了被测外界磁场，使聚磁环磁芯工作在零磁场附近，这样就构成了基于巨磁阻的电流传感器的闭环系统。零磁场相对于开环磁芯中外磁场要小很多，这对外界被测磁场的影响就减小了，有利于巨磁阻电流传感器线性度的提高，并有效抑制了温漂和零漂现象。
与现有技术相比，本实用新型的显著进步是：
（1）本实用新型巨磁阻电流传感器具有仅为±7‰超低的非线性误差，非常低的温漂和零漂，并且在检测直流或交流时的输入信号噪声得到有效抑制。
（2）聚磁环磁芯与反馈绕组够成的闭环系统克服了巨磁电阻芯片固有的非线性度以及温漂现象，避免了测量系统额外的补偿模块。
（3）本实用新型巨磁阻电流传感器将巨磁电阻芯片、聚磁环磁芯和零磁通的闭环结合在一起，既能测量直流电流和低频交流电流，还能测量高频交流电流。
（4）本实用新型巨磁阻电流传感器降低了由于磁性器件固有的磁滞现象所造成的误差。聚磁环磁芯的引入提高了传感器的灵敏度，可测得mA级别的微弱电流信号，提高了传感器对高精度微弱电流测量的能力。
（5）本实用新型巨磁阻电流传感器具有较快的响应速度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型巨磁阻电流传感器的结构示意图。
图2为本实用新型巨磁阻电流传感器的组成框图。
图3(a)为本实用新型巨磁阻电流传感器的100kHz时原边电流的波形与补偿电流的波形图。
图3(b)为本实用新型巨磁阻电流传感器的500kHz时原边电流的波形与补偿电流的波形图。
图4为本实用新型巨磁阻电流传感器的小信号分析得到的伯德图。
图5为本实用新型巨磁阻电流传感器的0-8A范围直流测量结果曲线图。
图6为本实用新型巨磁阻电流传感器的相对误差曲线图。
图7为本实用新型巨磁阻电流传感器的0-13A范围直流测量结果曲线图。
图8为本实用新型巨磁阻电流传感器的磁滞现象对传感器的影响曲线图。
具体实施方式
图1所示实施例表明，原边绕组Wp穿过聚磁环磁芯C，反馈绕组Wc绕在聚磁环磁芯C上，反馈绕组Wc一端与推挽功率放大器相连接，反馈绕组Wc另一端连接一个采样电阻Rm，巨磁电阻芯片GMR与聚磁环磁芯C和反馈绕组Wc构成闭环系统式的测量探头，聚磁环磁芯C将原边电流Ip所产生的磁场进行聚集之后，作用于巨磁电阻芯片GMR，巨磁电阻芯片GMR在感受到磁场的作用之后，将会有电压信号输出，该输出的电压信号送入运算放大器，运算放大器与推挽功率放大器连接，上述输出的电压信号经过运算放大器和推挽功率放大器进行放大之后，加到采样电阻Rm上，形成反馈电流Ic，该反馈电流Ic经过反馈绕组Wc产生反馈磁场，由此构成具有测量回路闭环系统的本实施例的巨磁阻电流传感器的结构。由于反馈绕组Wc产生的磁场与原边电流Ip产生的磁场方向相反，因而减弱了原边磁场，使巨磁电阻芯片GMR输出逐渐减小，反馈电流Ic也相应减小，当原边绕组Wp和反馈绕组Wc产生的磁场大小相等时，反馈电流Ic不再减小，达到零磁通状态。磁场的大小与检测电路的输出有良好的线性关系，因此可依据检测电路的输出信号来反映导线中的电流大小。
图2所示实施例表明，巨磁阻电流传感器由电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分组成，由电磁转换模块输出电压信号，该输出的电压信号送入信号放大模块，经过放大之后进入反馈补偿模块形成反馈电流，产生反馈磁场。由此电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分构成测量回路闭环系统。
图3所示的实施例是对整个测量回路闭环系统建立了仿真模型，模型中补偿绕组匝数为10，被测电流幅值为20A。当频率为100kHz与500kHz时，原边电流与补偿电流在两种频率下的波形分别如图3(a)与3(b)所示。可以看出，在频率为100kHz时，电流传感器的输出无畸变，在500kHz时，波形稍微变形。
图4所示的实施例是对电流传感器进行小信号分析得到的伯德图，由该图可知，本实用新型的巨磁阻电流传感器的带宽较高，可达上MHz。
实施例1
本实施例的巨磁阻电流传感器，由电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分组成，其中，匝数为1匝的原边绕组Wp穿过聚磁环磁芯C，匝数是120匝的反馈绕组Wc绕在聚磁环磁芯C上，反馈绕组Wc一端与型号是L165的推挽功率放大器相连接，反馈绕组Wc另一端连接采样一个电阻Rm，巨磁电阻芯片GMR与聚磁环磁芯C和反馈绕组Wc构成闭环系统式的测量探头，聚磁环磁芯C将原边电流Ip所产生的磁场进行聚集之后，作用于巨磁电阻芯片GMR，巨磁电阻芯片GMR在感受到磁场的作用之后，将会有电压信号输出，该输出的电压信号送入型号是INA118的运算放大器，型号是INA118的运算放大器与型号是L165的推挽功率放大器连接，上述输出的电压信号经过型号是INA118的运算放大器和型号是L165的推挽功率放大器进行放大之后，加到采样20欧姆的电阻Rm上，形成反馈电流Ic，该反馈电流Ic经过反馈绕组Wc产生反馈磁场，由此构成具有测量回路闭环系统的本实施例的巨磁阻电流传感器的结构。由于反馈绕组Wc产生的磁场与原边电流Ip产生的磁场方向相反，因而减弱了原边磁场，使巨磁电阻芯片GMR输出逐渐减小， 反馈电流Ic也相应减小，当原边绕组Wp和反馈绕组Wc产生的磁场大小相等时，反馈电流Ic不再减小，达到零磁通状态。磁场的大小与检测电路的输出有良好的线性关系，因此可依据检测电路的输出信号来反映导线中的电流大小。
上述聚磁环磁芯C的构成材料是坡莫合金材料，其电阻率为0.56μΩ·m，居里点为400℃，饱和磁感应强度为Bs=0.7T，饱和磁感应强度下的矫顽力Hc不大于1.6A/m，直流磁性能满足在0.08A/m磁场强度中的磁导率不小于37.5mH/m；聚磁环磁芯是圆环形磁环，该磁环的内径为20mm、外径为25mm、高为7mm、气隙长度为5mm、横截面为长为7mm和宽为5mm的矩形；巨磁电阻芯片即GMR芯片，采用东方微磁科技有限公司的VA110F3。
对比实施例1
除测量探头仅为巨磁电阻芯片GMR，没有反馈补偿模块之外，其他同实施例1。
对比实施例2
除测量探头仅为巨磁电阻芯片GMR与聚磁环磁芯C组成，没有反馈补偿模块之外，其他同实施例1。
实施例1与对比实施例1和对比实施例2的测量结果对比如下：
（1）当被测电流Ip范围从0到8A时，分别对以上实施例1、对比实施例1和对比实施例2三种结构的电流传感器进行测量，实验得到的输入输出特性曲线如图5所示，由此可见，当仅有巨磁电阻芯片GMR作为测量探头时，电流传传感器的灵敏度低，线性度差，测量精度较低；当由巨磁电阻芯片GMR与聚磁环磁芯C组成测量探头时，为开环系统，电流传感器的灵敏度提高，但是容易饱和，测量范围较窄，并且线性度较差；当由巨磁电阻芯片GMR与聚磁环磁芯C和反馈绕组Wc构成闭环系统式的测量探头，电流传感器的灵敏度提高，测量范围与巨磁电阻芯片GMR相同，线性度较好。
（2）用输出电压的理论值减去实际值，再除以实际值便可得到此电流传感器测量范围为0A～8A时的相对误差，如图6本实用新型巨磁阻电流传感器的相对误差曲线图所示，在0A到8A的量程内，相对误差限制在±7‰内。
（3）为了分析磁滞现象对电流传感器的影响，分别对实施例1、对比实施例1和对比实施例2三种结构的电流传感器进行了研究。被测电流首先从0增加到13A，分别测量三种结构的电流传感器的输出，然后将电流从13A降至0A，再次测量三种结构的电流传感器的输出，输入输出特性曲线如图7所示。三种结构的电流传感器的输出误差如图8所示。由图可知，本实用新型巨磁阻电流传感器的闭环系统可以降低由磁滞现象引起的误差，保证了传感器的测量精度与线性度。
上述对比说明，本实用新型巨磁阻电流传感器具有±7‰的超低的非线性误差，聚磁环磁芯与反馈绕组够成的闭环系统克服了巨磁电阻芯片固有的非线性度以及温漂现象，避免了测量系统额外的补偿模块，并且降低了由于磁性器件固有的磁滞现象所造成的误差。聚磁环磁芯的引入提高了电流传感器的灵敏度，可测得mA级别的微弱电流信号，提高了电流传感器对高精度微弱电流测量的能力。小信号分析的结果显示了本实用新型巨磁阻电流传感器具有很高的带宽，测量的频率范围可以达到上MHz。
上述实施例中所涉及的零部件和原材料均通过公知途径获得，组装的方法是本技术领域的技术人员所能掌握的。
Claims (5)
1.巨磁阻电流传感器，其特征在于：由电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分组成，其中，电磁转换模块包括聚磁环磁芯、原边绕组和巨磁电阻芯片，信号放大模块包括运算放大器和推挽功率放大器，反馈补偿模块为反馈绕组；原边绕组穿过聚磁环磁芯，反馈绕组均匀绕在聚磁环磁芯上，反馈绕组一端与推挽功率放大器相连接，反馈绕组另一端连接一个采样电阻，巨磁电阻芯片与聚磁环磁芯和反馈绕组构成闭环系统式的测量探头，聚磁环磁芯将原边电流所产生的磁场进行聚集之后，作用于巨磁电阻芯片，巨磁电阻芯片在感受到磁场的作用之后，将会有电压信号输出，该输出的电压信号送入运算放大器，运算放大器与推挽功率放大器连接，上述输出的电压信号经过运算放大器和推挽功率放大器进行放大之后，加到采样电阻上，形成反馈电流，该反馈电流经过反馈绕组产生反馈磁场，由此电磁转换模块、信号放大模块和反馈补偿模块三部分构成测量回路闭环系统。
2.根据权利要求1所述巨磁阻电流传感器，其特征是：所述聚磁环磁芯是圆环形磁环，该磁环的内径为20mm、外径为25mm、高为7mm、气隙长度为5mm、横截面为长为7mm和宽为5mm的矩形。
3.根据权利要求1所述巨磁阻电流传感器，其特征是：所述原边绕组的匝数为1匝。
4.根据权利要求1所述巨磁阻电流传感器，其特征是：所述反馈绕组的匝数是120匝。
5.根据权利要求1所述巨磁阻电流传感器，其特征是：所述采样电阻为20欧姆。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140604 Termination date: 20171129 |