CN101038305B - 阵列式巨磁阻抗效应电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电流测量装置技术领域，特别涉及一种基于巨磁阻抗(GMI)效应通过电流产生磁场变化测量电流的非接触式传感器。由阵列式GMI非晶电流传感器探头(1)、(2)，振荡及整流电路(3)、(4)和后续调零放大器(5)数字显示器(6)组成；阵列式电流传感器探头(1)、(2)是由多个具有良好软磁特性的长方形非晶带单元(8)由铜线(9)串联焊接起来的，且两个阵列式探头(1)、(2)要求一样，其平行对称地放置在通电导线(10)的两侧。设计采用双探头差动式结构，可以放大信号，提高信噪比，改善输出曲线的线性度；本发明结构小巧，灵敏度高，经济实用，可广泛应用于生产科研各领域电流的测量。

Description

阵列式巨磁阻抗效应电流传感器

技术领域

本发明属于电流测量装置技术领域，特别涉及一种阵列式巨磁阻抗(GMI)效应电流传感器。

背景技术

电流测量在生产科研各领域是一个重要问题，现在有很多的新技术和新材料都应用到电流测量的装置上。最常用的电流传感器有变流器型电流传感器、罗式(Rogowski)线圈、分路电阻和霍尔(Hell)元件电流传感器等，但这些传感器都有一定的缺陷。变流器型电流传感器和罗氏线圈测电流，要求线圈绕制特别精确，信号处理要求较高，而且只能用于交流电流的测量；分路电阻可测交流与直流电流，但它本身只是一个电阻，功耗很大；霍尔器件输出信号变化小，测量电流时还有一定的磁场方向各向异性，而且上述传感器的电路太过复杂，成本较高。

直到1992年，日本名古屋大学的K.Mohri等人在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了巨磁阻抗(giant magneto-impedance，GMI)效应，以及现在非晶材料制作工艺的成熟，才使性能稳定、高灵敏度、响应速度快、非接触、低成本的磁敏传感器设计成为可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非晶软磁条带所具有的巨磁阻抗(GMI)效应设计的阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，它能够很好的解决了使巨磁阻抗变化率与被检测电流产生磁场一一对应、噪声低、扩大测量范围的问题；并且本发明结构简明，经济实用。

巨磁阻抗电流传感器原理是，在电路中对非晶软磁条带加载高频的交流信号，非晶带两端会有相应的高频交流电压信号；当外加待测电流产生磁场作用于非晶带上时，非晶带的交流阻抗会发生变化，相应两端的高频电压信号也会变化，可用此高频电压信号的变化来反映外加待测电流的变化。

本发明所述的阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，由阵列式GMI非晶电流传感器探头1、阵列式非晶电流传感器探头2、振荡及整流电路3、振荡及整流电路4、后续调零放大器5和数字显示器6组成；其特征在于：

(1)阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2是由多个具有良好软磁特性的长方形非晶带单元8由铜线9串联焊接起来的，且阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2要求一样，其平行对称地放置在通电导线10的两侧；

(2)在通电导线10的下面设置有永磁体7，通过其提供偏置磁场固定阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2在非晶带材料GMI率随磁场变化曲线上的工作点，以便采取差动式结构，偏置磁场的大小由永磁体7的磁场强度及永磁体7到阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的距离决定；

(3)振荡及整流电路3和振荡及整流电路4均由科比茨振荡电路11、前置放大电路12和整流电路13组成，科比茨振荡电路11为阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2提供高频交流信号，前置放大电路12的输入端接非晶带单元8的两端，经其放大的非晶带单元8两端的信号由输出端接整流电路13，整流电路13将非晶带产生的高频交流信号转化为二倍交流信号峰值的直流信号U₁、U₂；

(4)上述直流信号U₁、U₂接调零输出放大器5，经运算调零后送数字显示器6，即测得待测电流I。

发明中所说的科比茨振荡电路11是由截止频率为3～60MHz的晶体管构成，基极与直流电源V_cc间和基极与地间的两个分压电阻16、17的阻值相等；频率为1～20MHz的晶体振荡器(晶振)15和起振电容14串接在基极与地之间；阵列式非晶电流传感器探头1一端接地，另一端与负载电阻21串联后连接晶体管的发射极，阵列式非晶电流传感器探头1作发射极负载的一部分存在，且科比茨振荡电路11的振荡频率值取决于晶振15的频率，即阵列式非晶电流传感器探头1非晶带的工作频率；晶振15的频率范围最好在1～12MHz，最佳频率范围是2～5MHz，可以使用石英晶振。

所说的阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2是由4～30个具有良好软磁特性的长方形非晶带单元8由铜线9串联焊接起来的，非晶带单元长为5～25mm，宽为0.5～10mm，厚10um～40um，两个非晶带单元的距离为0.5～10mm；且阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2要求一样；传感器采用差动式结构，阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2对称的放在通电导线10的两侧，导线到阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的距离均为1～20mm。

非晶带单元8是不用退火处理的，最大巨磁阻抗变化率(GMI率)达50％以上的Co非晶带或Fe基纳米晶材料的薄带均适用于本专利。用一个永磁体7来提供偏置磁场，偏置磁场的范围是10～30Oe；

做为本专利的更进一步的优选方式，最佳的晶体振荡器15的频率是3.5795MHz；非晶带单元8是具有的较大的巨磁阻抗变化率(GMI率)的CoFeSiB非晶带，非晶带单元长为10mm，宽为2.5mm，厚30um，两个非晶带单元的距离为1mm，导线到阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的距离均为5mm。用铁氧体或铷铁硼永磁体7来提供偏置磁场，偏场范围10～20Oe。

本专利所用的非晶带单元8是CoFeSiB非晶带，是采用单辊快淬法制备的，首先用纯度为99.9％以上的Co、Fe、Si、B按一定的配比(物质量Co的比重在60％以上，B的比重为8％～20％，其余的为Si、Fe)，在真空电弧炉中熔成合金块；在将合金块敲碎，将碎块放在石英管内；在甩带机(WK MS-I)中，石英管口与铜辊间距离约2mm，铜辊转速25m/s；给石英管内加氩气，熔融的合金喷至铜辊上，甩成薄带。

在上述技术方案中，当电流通过导线10时，产生环形磁场H_i；

$H_i=\frac{I}{2\mathrm{\πd}}---\left(1\right)$

其中，I为导线中待测电流。因为电流产生的环形磁场H_i在探头各个非晶带单元8的径向作用的场不同，但探头的输出电压信号可反映出非晶带单元8平均的GMI效应。

用永磁体7来提供偏置磁场H_b，用以固定阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2在GMI率随磁场变化曲线上的工作点，以便采取差动式结构(如图2(b))，偏场H_b的大小可由调节永磁体7到阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的距离改变；由于偏场H_b的存在，使得阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2在感应电流产生的磁场H_i时，相当于阵列式非晶电流传感器探头1的等效磁场减小为H_b-H_i，而阵列式非晶电流传感器探头2的等效磁场加大为H_b+H_i。差动式结构的优点是近二倍的放大信号，提高信噪比，改善输出曲线的线性度；而且这种传感器结构最大优点在于，传感器和被测电路之间在工作时可以互不影响，所以本发明为生产科研各领域电流的非接触式测量提供了一种可靠的方法。

相同的振荡及整流电路3和振荡及整流电路4分别为阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2提供正弦交流信号。以任意一个振荡及整流电路3为例(如图3)，它是由科比茨振荡电路11，前置放大电路12和整流电路13构成；前置放大器12输入端接阵列式非晶电流传感器探头1的两端，前置放大器12放大的信号由输出端接整流电路13，整流电路13将高频交流信号转化为二倍交流信号峰值的直流信号输出U₁、U₂；整个传感器的阵列式非晶电流传感器探头1、阵列式非晶电流传感器探头2、振荡及整流电路3、振荡及整流电路4用非铁磁性金属壳或树脂外套包裹。再将两个振荡及整流电路3和振荡及整流电路4的差动输出电压信号U＝U₂-U₁经调零放大电路5处理后再接数字显示6，(如图6)可达到直接显示电流测量数据的功能。

由于本发明采用具有的较大的GMI率的Co基非晶带，可通过调节永磁体7到阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的距离来设置偏置磁场的大小，即探头在GMI率随磁场变化曲线上的工作点；设计采用采取双探头差动式结构，可以放大信号，提高信噪比，改善输出曲线的线性度；而且传感器是非接触式电流测量，其测量范围为0～10A。本发明电子线路简单、结构新颖小巧、经济方便实用，可广泛应用于生产科研各领域电流测量。

附图说明

图1：阵列式巨磁阻抗(GMI)效应电流测量传感器结构图；

图2(a)：本发明阵列式非晶电流传感器探头结构示意图；

图2(b)：偏场及探头设置结构图；

图3：本发明中任意一组探头和振荡及整流电路示意图；

图4：CoFeSiB非晶带的GMI率随磁场变化曲线；

图5：振荡及整流电路的输出波形示意图；

图6：信号U在不同的偏置磁场下随电流的输出变化曲线；

图7：本发明的调零放大器和数字显示器示意图。

如图1所示，1、2为相同的阵列式非晶电流传感器探头；3、4为相同的振荡及整流电路；5为调零放大电路；6为数字显示装置；7为永磁体；10为待测电流铜导线；

如图2所示，阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2由非晶带单元8串联而成，其中9为铜线；永磁体7设置在导线的下面，阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2设置在导线10的左右两侧；

如图3所示，振荡及整流电路3和振荡及整流电路4均是由相同的科比茨振荡电路11、前置放大电路12和整流电路13组成；

如图7所示，为调零放大电路5和数字显示装置6；

具体实施方式

实施例1：

图2中，1、2为阵列式非晶电流传感器探头，7为永磁体(如铁氧体，铷铁硼等，)，具体实例中用块状(长方体)铁氧体。8为非晶带单元，9为铜线，10为通有待测电流的铜导线。

阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2分别是由16个具有良好软磁特性的长方形非晶带单元8由铜线9串联焊接起来的，非晶带单元8长10mm、宽2.5mm、厚30um，两个非晶带单元的距离1mm，且阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2要求一样，对称地放在通电导线10的两侧，当电流通过导线10时，在导线周围产生环形磁场H_i。阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的输出电压信号可反映出非晶带单元8平均的GMI效应。

非晶带单元8是CoFeSiB非晶带(Co₆₈Fe₄Si₁₂B₁₆)，在3.5792MHz工作频率下，最大巨磁阻抗变化率可达210％(见图4)。另外，永磁体7来提供偏置磁场H_b，用来固定阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2在GMI率随磁场变化曲线上的工作点，以便采取差动式结构，参见图2(b)和图4，图4中纵坐标mir为GMI率，具体表达式：

$\mathrm{mir}(\%)=\frac{[Z\left(H\right)-Z\left(H_{\mathrm{sat}}\right)]}{Z\left(H_{\mathrm{sat}}\right)}\×100\%---\left(2\right)$

其中，Z(H)为在任意磁场下非晶带单元8的交流阻抗值，Z(H_sat)为非晶带单元8磁化至饱和后的交流阻抗值。其中偏场H_b的大小可由调节永磁体7到阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的距离改变，由于偏场H_b的存在，使得阵列式非晶电流传感器探头1在感应电流产生的磁场H_i时，相当于一个等效磁场为H₁＝H_b-H_i，而阵列式非晶电流传感器探头2的等效磁场为H₂＝H_b+H_i，所以可将H_i引起的GMI效应双倍的表现出来，使得探头输出信号放大，输出曲线的线性度也得到改善；由于差动式结构的阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2完全相同，可消除温漂等因素干扰，提高信噪比。

实施例2：

图3中，1为阵列式非晶电流传感器探头，11为科比茨(Colpitts)振荡电路，12为前置放大电路，13为整流电路。14为起振电容C₃，15为晶振，16、17为两个阻值相等的分压电阻，18为反馈电容C₁，19为反馈电容C₂，20为晶体管，21为射极限流电阻，22为高频运算放大器，23、34为两个整流二极管，25为稳压电容，26为滤波电容。

科比茨振荡电路11的供电电压Vcc可以为12V，采取稳定晶体管20基极静态工作点的设计，由于两个分压电阻16、17的阻值相等，则晶体管20的基极静态工作电压为6V，晶体管20射极静态工作电压稳定在5.3V左右；阵列式非晶电流传感器探头1采用CoFeSiB(Co₆₈Fe₄Si₁₂B₁₆)非晶材料，作为射极负载的一部分和射极限流电阻21接入电路，射极限流电阻18为390Ω；科比茨振荡电路11稳频振荡，振荡频率为晶振15的频率3.5795MHz；调节反馈电容18和反馈电容19，使射极输出稳定的正弦信号，阵列式非晶电流传感器探头1由于有较大的交流阻抗而两端产生一定的交流电压信号。

当没有外加电流产生磁场作用于阵列式非晶电流传感器探头1上时，阵列式非晶电流传感器探头1的交流阻抗值不会发生变化，其上的交流电压信号即为科比茨振荡电路11中晶体管20射极输出稳定的正弦信号，该交流电压信号经由高频运算放大器22构成的前置放大电路12放大，放大后的交流信号U_p1(对应图5中a、c图的实线波形部分)连接到主要由两个整流二极管23、24构成的整流电路13，将高频交流信号U_p1转化为二倍交流信号U_p1峰值的直流信号U₁。

差动结构另一侧阵列式非晶电流传感器探头2和振荡及整流电路4的结构与上面所述的结构与工作原理相同。当没有外加电流产生磁场作用于阵列式非晶电流传感器探头2上时，阵列式非晶电流传感器探头2的交流阻抗值不会发生变化，其上的交流电压信号即为科比茨振荡电路11中晶体管20射极输出稳定的正弦信号，该交流电压信号幅值经放大器放大后信号为U_p2(对应图5中c、d图的实线波形部分)，再经整流后输出信号为U₂，其中U₂为交流信号U_p2峰值的二倍。具体见图5，其中(a)、(c)图的实线波形分别为阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2上的交流信号经放大器放大后的波形U_p1和U_p2，而(b)、(d)图的实线波形分别为整流后的输出U₁和U₂。

根据本专利所述的探头工作原理，(见图2(b)和图4)由于偏场H_b的存在，当待测电流产生的磁场作用于阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2上的交流电压信号会随它们的阻抗值分别变大和变小，使得阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2两端的交流信号发生增减变化，相应地，放大后的波形U_p1、U_p2和整流后的输出U₁、U₂也随之变化，如图5各图中虚线所示的波形。

如图6所示，在导线中通有0～5A电流的测量范围内，信号U在不同的偏置磁场H_b下随电流的输出变化曲线，通过实验和考虑到传感器尺寸(永磁体7到阵列式非晶电流传感器探头1和阵列式非晶电流传感器探头2的距离)，偏置磁场Hb的最佳工作范围为10～20Oe。

由图6各图所示，当永磁体7产生的偏场H_b设定后，我们可得到导线10中的待测电流I和测得的U值之间的线性关系：

U＝KI+U_b                  (3)

其中，K(V/A)是待测电流I和测得的U值的比例常数，即图5中直线的斜率，为负值；U_b是待测电流I为0时U的初始值。

实施例3：

给出各部分电路元件数据的一个实施方式。

图3中，晶体管20使用2SC1815型号的高频晶体管，其截止频率f_T大于晶振15频率5倍。晶振15的频率为1MHz以上，起振电容14为15pF～10nF均可起振。两个分压电阻16、17可以选用10kΩ；射极限流电阻21为390Ω；反馈电容18为1000pF～2200pF，反馈电容19为60pF～200pF，且反馈电容18与反馈电容19的比值在2到25之间。科比茨振荡电路的振荡频率即是晶振15的频率。

图3中的前置放大电路12，应选用增益带宽积GBP为晶振15频率5倍以上，失调电压4mV以下的高频运放。高频运算放大器22可选用LM318图3中的整流电路3中，整流二极管23、24选用肖特基二极管。

实施例4：

图7中，6为数字显示器，27、28为低失调电压的放大器。27所构成的放大器可将信号U＝U₂-U₁与下面的电路隔离，消除相互间干扰；运算放大器28构成的反向比例调零输出放大器；上述的这两个部分构成了后续调零放大器5，其输出为U_o。

信号U经后续调零放大电路5后与最终的输出电压U_o的关系为：

U_o＝A(U-U_f)                 (4)

其中，A为运算放大器28构成的反向比例电路的放大倍数，为负值；U_f为参考电压。再将实施例2中所得的导线10中的待测电流I和测得的U值之间的线性关系(3)代入(4)式中可得最终的输出电压U_o与待测电流之间的关系：

U_o＝AKI+A(U_b-U_f)            (5)

在无待测电流的情况下，稳定后调节参考电压U_f，使得U_f与U_b相等，则调零输出放大器28最终输出的电压值U_o在无电流时为0。参考电压U_f的调节可通过在标准电源(5V)用电位器分压实现。之后再调节运算放大器28构成的反向比例电路的放大倍数A，使得AK(V/A)的值等于1，这样最终的输出电压U_o与待测电流之间的关系为：

U_o＝I                  (6)

最终的输出电压U_o再接数字显示器6，数字显示器6所显示U_o的电压值就等于待测电流值，由此传感器可达到直接达到电流测量的功能。

图7中，低失调电压的放大器27、28可选择op-07；

图7中，数字显示器6可用ZF5135数字面板表。

Claims (6)

1.阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，由第一阵列式非晶电流传感器探头(1)、第二阵列式非晶电流传感器探头(2)、第一振荡及整流电路(3)、第二振荡及整流电路(4)、后续调零放大器(5)和数字显示器(6)组成；其特征在于：

(1)第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)是由多个具有良好软磁特性的长方形非晶带单元(8)由铜线(9)串联焊接起来的，且第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)要求一样，其平行对称地放置在通电导线(10)的两侧；

(2)在通电导线(10)的下面设置有永磁体(7)，通过其提供偏置磁场固定第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)在非晶带材料GMI率随磁场变化曲线上的工作点，以便采取差动式结构，偏置磁场的大小由永磁体(7)的磁场强度及永磁体(7)到第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)的距离决定；

(3)第一振荡及整流电路(3)和第二振荡及整流电路(4)均由科比茨振荡电路(11)、前置放大电路(12)和整流电路(13)组成，科比茨振荡电路(11)为第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)提供高频交流信号，前置放大电路(12)的输入端接非晶带单元(8)的两端，经其放大的非晶带单元(8)两端的信号由输出端接整流电路(13)，整流电路(13)将非晶带产生的高频交流信号转化为二倍交流信号峰值的直流信号U₁、U₂；

(4)上述直流信号U₁、U₂接调零输出放大器(5)，经运算调零后送数字显示器(6)，即测得待测电流I。

2.如权利要求1所述的阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，其特征在于：第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)是由4～30个具有良好软磁特性的长方形非晶带单元(8)由铜线(9)串联焊接起来的，非晶带单元长为5～25mm，宽为0.5～10mm，厚10um～40um，两个非晶带单元的距离为0.5～10mm；第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)对称的放在通电导线(10)的两侧，导线到第一阵列式非晶电流传感器探头(1)和第二阵列式非晶电流传感器探头(2)的距离均为1～20mm。

3.如权利要求1所述的阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，其特征在于：非晶带单元(8)采用巨磁阻抗变化率大于30％-50％的Co非晶带或Fe基纳米晶材料的薄带。

4.如权利要求3所述的阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，其特征在于：非晶带单元(8)是CoFeSiB非晶材料。

5.如权利要求1所述的阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，其特征在于：用铁氧体或铷铁硼永磁体(7)来提供偏置磁场Hb，偏场范围为10～30Oe。

6.如权利要求5所述的阵列式巨磁阻抗效应电流传感器，其特征在于：偏置磁场Hb的工作范围为10～20Oe。

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