CN105606877A - 一种闭环tmr电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种闭环TMR电流传感器，包括有母排、印制电路板、连接在电路板上的TMR元件。TMR元件与母排相对并间隔设置，TMR元件集成有线圈，该TMR元件的等效电路包括惠斯通电桥和线圈，印制电路板中具有第一运放电路和第二运放电路，惠斯通电桥的两个输出端分别与第一运放电路的两个输入端相连接，第一运放电路的输出端与线圈的一端相连接，线圈的另一端则与第二运放电路的输入端相连接，第二运放电路的输出端则输出检测信号。该闭环TMR电流传感器中，TMR元件集成有线圈作为次边反馈线圈使用，从而实现原边待测电流和次边反馈电流的磁场平衡，对待测电流的测量更加精确。同时该电流传感器的体积小、重量轻、生产成本低。

Description

一种闭环TMR电流传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器技术领域，本发明还涉及一种闭环TMR电流传感器。
背景技术
磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流。在现有技术中，主要使用的是霍尔电流传感器。以霍尔元件为敏感元件的霍尔电流传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场，提高霍尔输出灵敏度，从而增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗大、线性度差的缺陷。
最近十几年间，AMR(各向异性磁电阻AnisotropicMagnetoresistance)、GMR(巨磁电阻GiantMagnetoresistance)和TMR(隧道磁电阻TunnelMagnetoResistance)元件已逐步在电流传感器上得到了应用。AMR、GMR电流传感器元件其灵敏度比霍尔元件高很多，但是其线性范围窄。
TMR电流传感器相对于霍尔电流传感器的优势在于：具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度。TMR电流传感器相对于AMR、GMR电流传感器的优势在于：具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更宽的线性范围。
现有的TMR电流传感器，一类仅使用了TMR元件替代霍尔元件，仍然需要铁芯进行聚磁，结构成本上没有优势。另一类产品没有使用铁芯进行聚磁，而使用霍尔元件直接感应磁场，所以仍受外界磁场干扰，且这类产品为开环电流传感器，精度和温漂性能比闭环电流传感器差。如申请公布号为CN102928651A(申请号为201210489181.X)的中国发明专利申请《TMR电流传感器》，其中公开的TMR电流传感器即为一种开环电流传感器，其测量精度和温漂性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种体积小、测量精度高、抗干扰能力强的闭环TMR电流传感。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种闭环TMR电流传感器，包括有母排、印制电路板、连接在电路板上的TMR元件，其特征在于：所述TMR元件与所述母排相对并间隔设置，所述TMR元件集成有线圈，该TMR元件的等效电路包括惠斯通电桥和线圈，所述印制电路板中具有第一运放电路和第二运放电路，所述惠斯通电桥的两个输出端分别与第一运放电路的两个输入端相连接，所述第一运放电路的输出端与所述线圈的一端相连接，所述线圈的另一端则与第二运放电路的输入端相连接，所述第二运放电路的输出端则输出检测信号。
为了减小外部干扰磁场对TMR元件工作的影响，还包括有一屏蔽环，所述屏蔽环穿设在所述母排、印制电路板中并围在母排、印制电路板和TMR元件的工作元件外。
优选地，所述屏蔽环为一U形的屏蔽环。
为了保证信号的稳定性，减小振动和母排移动时传感器的输出误差，所述母排、印制电路板和TMR元件通过限位装置进行限位，以使得母排和TMR元件之间具有固定的间距。
方便地，所述限位装置为一限位块，所述限位块夹设在所述母排和印制电路板之间，所述限位块上对应于所述TMR元件设置有一供所述TMR元件容置在内的凹槽。
方便地，所述母排、定位块和印制电路板中贯穿设置有螺丝以实现固定。
优选地，还包括有一壳体，所述母排、印制电路板、TMR元件均设置在所述壳体内。
优选地，所述TMR元件一体贴覆在所述印制电路板上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该闭环TMR电流传感器中，TMR元件没有采用磁环进行聚磁而采用集成线圈作为次边反馈线圈使用，从而实现原边待测电流和次边反馈电流的磁场平衡，达到了闭环的控制目的，对待测电流的测量更加精确。同时还减小了该电流传感器的体积、重量，也降低了电流传感器的生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例中闭环TMR电流传感器的主视图。
图2为本发明实施例中闭环TMR电流传感器的后视图。
图3为本发明实施例中闭环TMR电流传感器的侧视图。
图4为本发明实施例中闭环TMR电流传感器的仰视图。
图5为本发明实施例中闭环TMR电流传感器的俯视图。
图6为本发明实施例中闭环TMR电流传感器的剖视图。
图7为本发明实施例中母排、限位块和屏蔽环的安装图。
图8为本发明实施例中闭环TMR电流传感器的电路等效图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～图7所示，本实施例中的闭环TMR电流传感器，包括有母排1、印制电路板2、TMR元件3、屏蔽环4和壳体5，母排1、印制电路板2、屏蔽环4均置于在壳体5内，母排1和电路板的连接端伸出在壳体5外以方便连线。
本实施例中，TMR元件3一体贴覆连接在印制电路板2上，TMR元件3与母排1相对并间隔设置，TMR元件3和母排1通过限位装置保持固定的间距，从而保证TMR元件3和母排1的相对距离不变，能够消除了母排1位置的移动引起的磁场变化，提高了从而提高闭环TMR电流传感器的测量精度。本实施例中的限位装置为一限位块6，该限位块6夹设在母排1和印制电路板2之间，限位块6上对应于所述TMR元件3设置有一供TMR元件3容置在内的凹槽61，本实施例中的凹槽61内壁与TMR元件3之间具有间隙以方便安装。
母排1、限位块6和印制电路板2中贯穿设置有螺丝7以固定在一起。
本实施例中的屏蔽环4为一导磁的U形屏蔽环4，该屏蔽环4的侧壁穿设在母排1、印制电路板2中，并且屏蔽环4的底部对应于TMR的连接位置贴覆在印制电路板2上，U形屏蔽环4的两个侧壁则通过紧配的方式和母排1以及印制电路板2实现固定。该屏蔽环4环置于母排1、印制电路板2和TMR元件3的工作元件外，从而可提高TMR元件3处的磁场，并能减小外部干扰磁场对TMR元件3的影响，保证TMR元件3的工作精度。
TMR元件3集成有线圈31，该TMR元件3的等效电路包括惠斯通电桥32和线圈31，本实施例中，将TMR元件3中的线圈31作为次边反馈线圈进行使用。
印制电路板2中具有第一运放电路21和第二运放电路22，惠斯通电桥32的两个输出端分别与第一运放电路21的两个输入端相连接，第一运放电路21的输出端与次边反馈线圈31的一端相连接，次边反馈线圈31的另一端则与第二运放电路22的输入端相连接，第二运放电路22的输出端则输出检测信号。
本实施例中的闭环TMR电流传感器的工作原理是磁场平衡式，即母排1内通以原边电流所产生的磁场，用通过TMR元件3内部集成的线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使TMR元件3始终处于检测零磁通的工作状态。
当原边母排1通以大电流IP时，在母排1周围产生一个强的磁场HP，这一磁场HP感应TMR元件3，使TMR元件3内自惠斯通电桥32的两个输出端输出相应的差分信号Uh，该差分信号Uh经第一运放电路21放大后，再反馈输出至TMR元件3内部的次边反馈线圈31中，从而使次边反馈线圈31获得一个补偿电流IS。而由该补偿电流IS所产生的磁场HS与母排1原边电流所产生的磁场HP方向相反，因而相互抵消，引起磁路中总的磁场变小，使TMR元件3的输出的差分信号Uh逐渐减小，最后当IS所产生的磁场HS与IP所产生的磁场HP相等时，达到磁场平衡，IS不再增加，这时TMR元件3就处于零磁通检测状态。上述过程是在非常短的时间内完成的，且是一个动态平衡的过程，即：原边电流IP的任何变化都会破坏这一磁场平衡，一旦磁场失去平衡，TMR元件3就有信号输出，经运放放大后，立即有相应的电流流过TMR元件3内部集成的次边反馈线圈31对其进行补偿。
因此从宏观上看，原边电流与补偿电流始终保持线性关系：
│IP│＝K│IS│
其中：IP为原边电流，IS为补偿电流，K为比例系数。
所以，若已知K，测得IS，即可得原边电流IP的大小。其中影响K值的因素有：TMR元件的灵敏度；TMR内的磁感应部件与母排1、线圈31的距离和位置。
使用放大电路或信号转换电路，可将补偿电流IS进行放大或信号转换以获得电压的输出形式。

Claims (8)

1.一种闭环TMR电流传感器，包括有母排(1)、印制电路板(2)、连接在电路板上的TMR元件(3)，其特征在于：所述TMR元件(3)与所述母排(1)相对并间隔设置，所述TMR元件(3)集成有线圈(31)，该TMR元件(3)的等效电路包括惠斯通电桥(32)和线圈(31)，所述印制电路板(2)中具有第一运放电路(21)和第二运放电路(22)，所述惠斯通电桥(32)的两个输出端分别与第一运放电路(21)的两个输入端相连接，所述第一运放电路(21)的输出端与所述线圈(31)的一端相连接，所述线圈(31)的另一端则与第二运放电路(22)的输入端相连接，所述第二运放电路(22)的输出端则输出检测信号。
2.根据权利要求1所述的闭环TMR电流传感器，其特征在于：还包括有一屏蔽环(4)，所述屏蔽环(4)穿设在所述母排(1)、印制电路板(2)中并环置于母排(1)、印制电路板(2)和TMR元件(3)的工作元件外。
3.根据权利要求2所述的闭环TMR电流传感器，其特征在于：所述屏蔽环(4)为一U形的屏蔽环。
4.根据权利要求1所述的闭环TMR电流传感器，其特征在于：所述母排(1)、印制电路板(2)和TMR元件(3)通过限位装置进行限位，以使得母排(1)和TMR元件(3)之间具有固定的间距。
5.根据权利要求4所述的闭环TMR电流传感器，其特征在于：所述限位装置为一限位块(6)，所述限位块(6)夹设在所述母排(1)和印制电路板(2)之间，所述限位块(6)上对应于所述TMR元件(3)设置有一供所述TMR元件(3)容置在内的凹槽(61)。
6.根据权利要求5所述的闭环TMR电流传感器，其特征在于：所述母排(1)、限位块(6)和印制电路板(2)中贯穿设置有螺丝(7)以实现固定。
7.根据权利要求1所述的闭环TMR电流传感器，其特征在于：还包括有一壳体(5)，所述母排(1)、印制电路板(2)、TMR元件(3)均设置在所述壳体(5)内。
8.根据权利要求1所述的闭环TMR电流传感器，其特征在于：所述TMR元件(3)一体贴覆在所述印制电路板(2)上。
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