CN102288815B - 一种用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器，属于电力系统量测技术领域。温度补偿器中的运算放大器的反相输入端与直流电压源的正极相连，负温度系数热敏电阻的一端与第一高精密低温度系数电阻的一端相互串联，负温度系数热敏电阻的另一端与运算放大器的同相输入端相连，第一高精密低温度系数电阻的另一端接地。第二高精密低温度系数电阻并联在运算放大器的同相输入端与输出端之间。运算放大器的输出端与巨磁电阻效应电流传感器的电源端相连。本发明的温度补偿器，具有成本低、稳定性好等优点，显著提高了巨磁电阻效应电流传感器的精度；且电路结构简单，成本低，性能稳定，且补偿效果非常明显，适用于巨磁电阻效应传感器的温度补偿。

Description

一种用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器

技术领域

本发明涉及一种用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器，属于电力系统量测技术领域。

背景技术

巨磁电阻效应电流传感器是基于巨磁电阻效应磁场测量技术的用于交流、直流电流测量的传感器，具有频率响应宽、体积小、低成本、高灵敏度等特点。

巨磁电阻效应器件是一种磁敏器件，对温度也有一定的敏感性。在电压源供电的情况下，巨磁电阻效应器件随着温度上升，输出响应逐渐衰减，对巨磁电阻效应器件的测量性能有很大影响，因此必须对巨磁电阻效应器件采取相应的温度补偿。

用于巨磁电阻效应器件的温度补偿方法可以有侵入式和非侵入式两类。侵入式的温度补偿方法主要是通过CMOS电路工艺设计，改变芯片内部的结构，添加相关电路结构和工艺，达到温度补偿的目的。非侵入式的温度补偿则主要是在芯片的外围搭建相关温度补偿电路，如利用通用阻抗变换器变换的温控恒流源为巨磁电阻效应器件供电，达到温度补偿的效果。

侵入式温度补偿方法技术难度高，工艺复杂，难以实现。非侵入式温度补偿可以采用不同的技术方案予以实现：利用通用阻抗变换器变换原理实现的温度补偿电路结构较为复杂，对温控恒流电源要求较高，实用性不强；采用电压源形式温度补偿结构，可以通过较为简单的电路结构，实现较为理想的温度稳定性。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器，采用负温度系数热敏电阻作为补偿器件，通过运算放大器跟随放大进行温度补偿，并利用惠斯通电桥结构的自补偿特性，以提高巨磁电阻效应电流传感器的温度稳定性。

本发明提出的用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器，包括：直流电压源、运算放大器、负温度系数热敏电阻、第一高精密低温度系数电阻和第二高精密低温度系数电阻；所述的运算放大器的反相输入端与直流电压源的正极相连，负温度系数热敏电阻的一端与第一高精密低温度系数电阻的一端相互串联，负温度系数热敏电阻的另一端与运算放大器的同相输入端相连，第一高精密低温度系数电阻的另一端接地；所述的第二高精密低温度系数电阻并联在运算放大器的同相输入端与输出端之间；所述的运算放大器的输出端与巨磁电阻效应电流传感器的电源端相连。

本发明提出的用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器，基于巨磁电阻效应电流传感器的输出响应与供给电源的电压成正比的原理，利用一个对温度敏感的电压源给巨磁电阻效应电流传感器供电，对其进行相应的温度补偿，改善了巨磁电阻效应电流传感器的温度特性，提高了巨磁电阻效应电流传感器的测量精度，对传感器的温度特性改善非常明显。并且通过调节高精密低温度系数电阻和热敏电阻的比值，可以适用于不同温度特性的巨磁电阻效应芯片。而且本发明的温度补偿器具有成本低、结构简单、稳定性好等优点，显著提高了巨磁电阻效应电流传感器的精度。

附图说明

图1是本发明提出的用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器的电路原理图。

图1中，V_S为直流电压源，AMP为运算放大器，R_C1是第一高精密低温度系数电阻，R_C2是第二高精密低温度系数电阻，(该电阻的温漂比巨磁电阻效应芯片低2个数量级以上)，R_T为负温度系数热敏电阻(该电阻的温度系数比巨磁电阻效应芯片高1个数量级)。

图2是本发明温度补偿器的效果图。

图3是本发明温度补偿器中所用的巨磁电阻效应电流传感器的电路原理图。

图4是图3中非晶合金磁环的结构尺寸示意图。

图3中，1是被测导线，2是非晶合金磁环，3是直流偏磁线圈，GMR为多层膜巨磁电阻效应芯片NVE-AA002-02，A为仪表放大器INA102，AMP为运算放大器，R为电压跟随电阻，A/D为模数转换模块，LED为数码管显示电路，DC为直流恒流源。

图4中：r＝5cm，l＝1cm，d＝1cm，h＝2cm。

具体实施方式

本发明提出的用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器，其结构如图1所示，包括：直流电压源、运算放大器、负温度系数热敏电阻R_T、第一高精密低温度系数电阻R_C1和第二高精密低温度系数电阻R_C2；所述的运算放大器的反相输入端与直流电压源的正极相连，负温度系数热敏电阻的一端与第一高精密低温度系数电阻R_C1的一端相互串联，负温度系数热敏电阻的另一端与运算放大器的同相输入端相连，第一高精密低温度系数电阻的另一端接地。第二高精密低温度系数电阻R_C2并联在运算放大器的同相输入端与输出端之间；所述的运算放大器的输出端与巨磁电阻效应电流传感器的电源端相连。

以下介绍本发明提出的温度补偿器的工作原理：

巨磁电阻效应传感器(以下简称GMR)器件本身在电压源供电电压不变的情况下，在外界磁场不变的情况下，对于温度的幅值响应为：

$V_O=V_{B}k\frac{1-k_{1}T}{1-k_{2}T}---\left(1\right)$

式中，V_O为GMR器件电压输出，V_B为室温下GMR器件电压输出，k、k₁、k₂为温度系数。

k₂对GMR器件有自补偿作用，因此GMR器件的温度衰减特性主要由k₁决定。由于GMR器件的电压输出与供给电压成正比，因此可以使用随温度逐渐升高而电压增大的供给电源来补偿GMR器件的温度衰减特性。

在图1中，通过运算放大器搭建的比例运算器为GMR器件供电，供给电源电压为：

$V_{\mathrm{GMRS}}=V_S\frac{R_{C1}+R_{C2}+R_T}{R_{C1}+R_T}---\left(2\right)$

式中，V_GMRS为GMR器件电源，V_S为直流供给电源，R_C1、R_C2的温度系数比GMR器件的温度系数低2个数量级以上，可认为阻值不随温度变化。R_T为负温度系数热敏电阻。

R_T的温度特性可由R_T＝R_B-k_TT表示，R_B不随温度变化，k_T为温度系数。

用上述温敏电压源给GMR器件供电，则在外界磁场不变的情况下，GMR器件的响应为：

$V_O=V_B\frac{R_{C1}+R_{C2}+R_B-k_{T}T}{R_{C1}+R_B-k_{T}T}\·\frac{1-k_{1}T}{1-k_{2}T}---\left(3\right)$

通过选择合适的热敏电阻，并且利用R_C1、R_C2进行调节，使得：

$k_1=\frac{k_T}{R_{C1}+R_B},$ $k_2=\frac{k_T}{R_{C1}+R_{C2}+R_B}---\left(4\right)$

即可以完全消除温度对巨磁电阻效应传感器输出特性的影响。

以一型巨磁电阻效应电流传感器说明，实验测得传感器的参数为：k₁＝2.4×10^-3/℃，k₂＝2.1×10^-3/℃。由此选定温度补偿相关电阻的参数为：R_B＝5kΩ，k_T＝3.4×10^-3kΩ/℃，R_C1＝9kΩ，R_C2＝2kΩ。温度补偿前后的效果如图2，从图2的实践结果可以看出，对其进行温度补偿后，巨磁电阻效应传感器的温度特性改善非常明显。

本发明中所用的巨磁电阻效应传感器，其结构如图3所示，包括非晶合金磁环2、直流恒流源DC、直流偏磁线圈3、多层膜巨磁电阻效应芯片GMR、仪表放大器A、运算放大器AMP、电压跟随电阻R、模数转换器A/D和数码管显示器LED。直流偏磁线圈绕在非晶合金磁环上，直流恒流源为直流偏磁线圈供电；被测导线1穿过非晶合金磁环2，所述的非晶合金磁环2有一个气隙。多层膜巨磁电阻效应芯片GMR置于非晶合金磁环的气隙中。多层膜巨磁电阻效应芯片的正输出端和负输出端分别与所述的仪表放大器A的同相输入端和反相输入端连接，仪表放大器A的输出端与所述的运算放大器AMP的同相输入端连接。电压跟随电阻R并联在运算放大器的反相输入端和输出端，运算放大器的输出端与所述的模数转换器A/D的输入端连接，模数转换器的输出端与所述的数码管显示器LED连接。

上述巨磁电阻效应电流传感器中，所述的非晶合金磁环的结构如图4所示，其半径r＝5cm，非晶合金磁环的厚度l＝1cm，非晶合金磁环上气隙的宽度d＝1cm，非晶合金磁环的宽度h＝2cm。

Claims (1)

1.一种用于巨磁电阻效应电流传感器的温度补偿器，其特征在于该温度补偿器包括：直流电压源、运算放大器、负温度系数热敏电阻、第一高精密低温度系数电阻和第二高精密低温度系数电阻；所述的运算放大器的反相输入端与直流电压源的正极相连，直流电压源的负极接地，负温度系数热敏电阻的一端与第一高精密低温度系数电阻的一端相互串联，负温度系数热敏电阻的另一端与运算放大器的同相输入端相连，第一高精密低温度系数电阻的另一端接地；所述的第二高精密低温度系数电阻并联在运算放大器的同相输入端与输出端之间；所述的运算放大器的输出端与巨磁电阻效应电流传感器的电源端相连。

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