CN101487856A - 利用巨磁电阻测量电流的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用巨磁电阻测量电流的方法，包括：将待测导线形成一电流可调的待测电流回路；巨磁电阻型电压传感器与待测导线之间有一固定距离D，将巨磁电阻型电压传感器形成一测量回路；逐步改变被测电流I，同时对应记录测量回路中的输出电压V0，I与V0呈线性关系，经拟合后的拟合电压U与被测电流I满足公式：U＝KI－Q，上述距离D以及被测的电流是交流或直流固定时，K、Q是常数；不断改变D，重复上述过程求得多种使用条件下的相对应的K、Q常数，制成输出电压～被测电流关系的对照工具；使用时由测得的输出电压再根据输出电压～被测电流关系的对照工具即可测出被测电流。本发明具有使用便捷、安全，测量精度高的效果。

Description

利用巨磁电阻测量电流的方法
技术领域
本发明涉及一种测量电流的方法，尤其是指一种适用于工业设备中测量大电流的利用巨磁电阻测量电流的方法。
背景技术
传统的测量电流的电流表是采用霍尔元件，直接在电线上测量电流，这种测量方式不够便捷、安全，测量的电流精度不高，测量仪器本身的体积较大，制造成本高，尤其在大型工业设备中测量大电流时，更体现其上述的缺点。
目前，巨磁电阻的技术已被应用到有关领域中使用。例，应用“巨磁电阻”效应制成的硬盘已经缩小到了一张邮票的大小，但是它的存储能力却提高了50倍。采用巨磁电阻制造的产品具有小型化，廉价化等优点。
“磁电阻”效应是指在一定磁场下磁性金属和合金材料的电阻值会发生变化，所谓“巨磁电阻”效应，是指磁性金属和合金材料的器件在极弱的磁场变化时可以造成明显的电阻值变化，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍，从而该器件可以成为读取磁性介质内所存储的数据并将其转化为电流信号的理想工具。
关于巨磁电阻的结构参见图1，图1为巨磁电阻器件的结构原理图。巨磁电阻器件由4个相同材料且阻值严格相等(阻值设为R)的巨磁电阻R1-R4接成直流电桥结构，如图所示。其中R4和R2有坡莫合金层屏蔽层，其阻值不随外界磁场变化，而R1和R3阻值是随外界磁场的变化而变化的巨磁电阻，巨磁电阻器件具有工作电压端V+和V-以及具有输出端Vout和G。若将工作电压端V+和V-间开路，将输出端Vout和G之间作为待测器件电阻的两端，那么R1和R4的串联电阻阻值为R+R+ΔR1＝2R+ΔR1，其中R为与磁场无关的原单个电阻的阻值，而ΔR1为存在的外磁场B的强度变化时，单个巨磁电阻R1的电阻改变量。同样，此时R2和R3的串联电阻值为R3+R2＝2R+ΔR3，而ΔR3为存在外磁场变化时，单个巨磁电阻R3的电阻改变量，由于R1和R3是由相同材料且阻值严格相等的材料制成，因此ΔR1＝ΔR3＝ΔR＝R(B)-R。这样，Vout和0间的总电阻(R总)＝R+ΔR/2。其中ΔR＝R(B)-R，而R是固定的值，R(B)分别为随外磁场B的强度变化有关的R1、R3的电阻值。由此可知，由于R是固定的，所以只需测量出巨磁电阻器件的总电阻(R总)便可求得外磁场B的强度。
此类巨磁电阻器件具有如下特点：磁电阻率ΔR/R与对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；低饱和场，工作磁场小；电阻随磁场变化迅速，操作磁通小，灵敏度高；利用层间转动磁化过程能有效地抑制Barkhausen噪声，信噪比高。因此，利用巨磁电阻技术测量电流是业内发展趋势。
发明内容
本发明的目的是克服传统的接触式测量电流的方法所存在的缺点，提供一种测量电流时具有便捷、安全，测量精度高的利用巨磁电阻测量电流的方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种利用巨磁电阻测量电流的方法，包括：
第一步骤，将被测电流的待测导线连接一直流/交流电源、直流/交流电流表、变阻器，形成一电流可调的待测电流回路；
第二步骤，巨磁电阻型电压传感器与待测导线有一固定距离D，将巨磁电阻型电压传感器的工作电压端连接一工作电源，巨磁电阻型电压传感器的输出端连接一电压表，形成一测量回路；
第三步骤，确定待测电流回路中是交流电或是直流电，用变阻器逐步改变待测电流回路中的被测电流I，同时在测量回路中测出巨磁电阻型电压传感器的输出电压V0，I与V0呈线性关系，该线性关系经拟合后的拟合电压为U，拟合电压U与被测电流I满足以下公式：
U＝KI-Q
当巨磁电阻型电压传感器与待测导线之间的距离D固定以及被测电流是交流电还是直流电确定时，K、Q是常数；
第四步骤，改变第二步骤中的巨磁电阻型电压传感器与待测导线的固定距离D的值，重复上述第一到第三步骤，将会得到对应改变距离D后的K、Q值；
第五步骤，如此重复上述第一到第四步骤，求得多种使用条件下的相对应的K、Q常数，做成输出电压～被测电流关系的对照工具；
第六步骤，使用时由测量回路中的电压表上测得的输出电压再根据输出电压～被测电流关系的对照工具即可测出待测导线中的被测电流。
本发明的效果：
本发明的利用巨磁电阻测量电流的方法由于是采用巨磁电阻器件测量电流，因此具有便捷、安全，测量精度高，灵敏度高，信噪比高的优点，特别适用于作为工业设备中测量大电流的方法。本发明具有较大的使用及商业价值。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为巨磁电阻器件的结构原理图；
图2为本发明中利用巨磁电阻测量电流的方法的电原理图；
图3为本发明中巨磁电阻型电压传感器与被测电流的待测导线之间的位置关系图；
图4本发明利用巨磁电阻测量电流的第一实施例所示的输出的拟合电压与被测电流的关系图；
图5本发明利用巨磁电阻测量电流的第二实施例所示的输出的拟合电压与被测电流的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的利用巨磁电阻测量电流的方法的具体实施方式进行详细说明。
本发明的利用巨磁电阻测量电流的方法参见图2，图2为本发明中利用巨磁电阻测量电流的方法的电原理图；
本发明中是采用巨磁电阻器件制成的电压传感器，即巨磁电阻型电压传感器(GMR)10，巨磁电阻型电压传感器10是利用巨磁电阻器件随被测电流引起外磁场强度的弱小变化时其电阻值产生明显变化，从而通过测量出巨磁电阻器件的总电阻(R总)便可求得外磁场B的强度的特点，根据该外磁场B的强度求得电流值并将之转化为电压信号体现出来的一种传感器部件。
利用巨磁电阻测量电流的方法包括：
将被测电流的待测导线40连接一直流/交流电源50、电流表60(直流/交流)、变阻器(本实施例采用5欧姆滑动电阻)70，形成一电流可调的待测电流回路。
将巨磁电阻型电压传感器10接近待测导线40，两者距离设为D，巨磁电阻型电压传感器10本身具有感应外磁场变化的敏感轴(P-P′)，在使用时，被测电流的待测导线40与该敏感轴始终垂直(参见图3)，以保证测量精度。将巨磁电阻型电压传感器10的工作电压端连接一工作电源30，巨磁电阻型电压传感器10的输出端连接一电压表20，形成一测量回路。
本发明采用的第一实施例是待测电流回路中的直流/交流电源50提供直流电源，待测导线40与巨磁电阻型电压传感器10距离D为0.10mm时，逐步改变待测电流回路中的变阻器70的电阻，在电流表60中可以读出待测导线40中的变化的电流I1，同时，由于待测导线40中的电流变化将会使周围形成的磁场发生变化，巨磁电阻型电压传感器10将此变化信号在测量回路的电压表20中用电压信号Vo1(以下称实际输出电压)读出，经多点测试，待测导线40中的电流I1的变化与巨磁电阻型电压传感器10的测得的实际输出电压Vo1成线性关系，如图4所示，图4中的圆点是待测导线40中的电流I1的变化与巨磁电阻型电压传感器10的测得的实际输出电压Vo1的变化的关系，直线是被测电流I1与巨磁电阻型电压传感器10的实际输出电压Vo1线性关系通过EXCEL拟合后的拟合电压U1与I1的关系。
图4的数据可用表1列出。
表1：
 
被测电流I1(A) 实际输出电压Vo1(mV) 拟合电压U1(mV)
0 -3.22 -3.9147
0.07 -2.8 -3.2172
0.158 -2.21 -2.34034
0.246 -1.56 -1.46349
0.335 -0.76 -0.57667
0.424 0.14 0.310149
0.512 1.03 1.187003
0.6 1.92 2.063858
0.687 2.82 2.930749
0.776 3.64 3.817568
0.865 4.48 4.704387
 
0.952 5.43 5.571277
1.05 6.34 6.547774
1.145 7.13 7.494379
1.24 8.12 8.440983
1.344 9.22 9.477266
1.435 10.45 10.38401
1.527 11.48 11.30073
1.62 12.57 12.2274
1.712 13.54 13.14411
1.806 14.41 14.08075
经过计算，拟合电压U1与被测电流I1满足线性关系：
U1＝9.964258I1-3.9147    公式1
本发明采用的第二实施例是待测电流回路中的直流/交流电源50提供交流电源，待测导线40与巨磁电阻型电压传感器10距离D为0.10mm时，逐步改变待测电流回路中的变阻器70的电阻，在电流表60中可以读出待测导线40中的变化的电流I2，同时，由于待测导线40中的电流变化将会使周围形成的磁场发生变化，巨磁电阻型电压传感器10将此变化信号在测量回路的电压表20中用电压信号Vo2(以下称实际输出电压)读出，经多点测试，待测导线40中的电流I2的变化与巨磁电阻型电压传感器10的测得的实际输出电压Vo2成线性关系，如图5所示，图5中的圆点是待测导线40中的电流I2的变化与巨磁电阻型电压传感器10的测得的实际输出电压Vo2的变化的关系，直线是被测电流I2与巨磁电阻型电压传感器10的实际输出电压Vo2线性关系通过EXCEL拟合后的拟合电压U2与I2的关系。
图4的数据可用表1列出。
表2：
 
被测电流I2(A) 实际输出电压V02(mV) 拟合电压U2(mV)
0 -4.72 -5.93375
0.175 -3.5 -3.33921
0.365 -0.7 -0.52228
0.531 1.62 1.938832
0.752 4.57 5.215366
0.925 7.53 7.780256
1.108 10.43 10.4934
1.276 12.88 12.98416
1.439 15.27 15.40079
 
1.608 17.78 17.90638
1.78 20.57 20.45644
1.943 23.01 22.87307
2.153 26.5 25.98652
经过计算，拟合电压U2与被测电流I2满足线性关系：
U2＝12.23141 I2-3.33921    公式2
从上述两个实施例可以看出，用巨磁电阻型电压传感器测量电流时，不论交流电还是直流电，巨磁电阻型电压传感器10与待测导线40之间的距离D固定时，被测电流I的变化与巨磁电阻型电压传感器的输出电压Vo成线性关系，该线性关系通过EXCEL拟合后的拟合电压U与I的关系满足以下公式：
U＝KI-Q    公式3
当巨磁电阻型电压传感器10与待测导线40之间的距离D固定以及被测电流是交流电还是直流电确定时，K、Q是常数。
根据上述两个实施例的方法，在确定是交流电或是直流电后，在巨磁电阻型电压传感器10与待测导线40之间的距离处于多种不同的距离D时，求得多种使用条件下的相对应的K、Q常数，这样，就可以制成输出电压～被测电流关系的对照工具。实际使用时由测量回路中的电压表上测得的输出电压再根据输出电压～被测电流关系的对照工具即可测出待测导线中的被测电流。
从上述实施例看出，本方案是利用高灵敏度的巨磁电阻型传感器测量长直导线通过的电流时，在其固定位置产生的磁场。测量磁场的大小，可以精确测量通过导线的电流。其特点是被测量的电流越大，巨磁电阻型传感器的输出电压与被测电流的线性关系越好，测量精度越高，如果是10A——200A电流更好，尤其适用于大型工业设备中测电流。
采用巨磁电阻器件与其他几种霍尔元件制成的测量电流的方法相比，无论是在使用方法，还是测量精度、非线性度、影响速度、等方面都可看出其巨大优势，体现了利用巨磁电阻器件测量的全方面优势，因此，本发明具有较大的使用及商业价值。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (2)

1，一种利用巨磁电阻测量电流的方法，其特征在于包括：
第一步骤，将被测电流的待测导线连接一直流/交流电源、直流/交流电流表、变阻器，形成一电流可调的待测电流回路；
第二步骤，巨磁电阻型电压传感器与待测导线之间有一固定距离D，将巨磁电阻型电压传感器的工作电压端连接一工作电源，巨磁电阻型电压传感器的输出端连接一电压表，形成一测量回路；
第三步骤，确定待测电流回路中是交流电或是直流电，用变阻器逐步改变待测电流回路中的被测电流I，同时在测量回路中测出巨磁电阻型电压传感器的输出电压V0，I与V0呈线性关系，该线性关系经拟合后的拟合电压为U，拟合电压U与被测电流I满足以下公式：
U＝K I-Q，
当巨磁电阻型电压传感器与待测导线之间的距离固定D以及被测电流是交流电还是直流电确定时，K、Q是常数；
第四步骤，改变第二步骤中的巨磁电阻型电压传感器与待测导线的固定距离D的值，重复上述第一到第三步骤，将会得到对应改变距离D后的K、Q值；
第五步骤，如此重复上述第一到第四步骤，求得多种使用条件下的相对应的K、Q常数，做成输出电压～被测电流关系的对照工具；
第六步骤，使用时由测量回路中的电压表上测得的输出电压再根据输出电压～被测电流关系的对照工具即可测出待测导线中的被测电流。
2，如权利要求2所述的利用巨磁电阻测量电流的方法，其特征在于：
所述巨磁电阻型电压传感器具有感应外磁场变化的敏感轴，测量时被测电流的待测导线与该敏感轴保持垂直。
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