CN106018939B - 一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器，属于传感测量领域。本发明包括：开口磁环，隧穿磁阻磁传感芯片，信号调理电路，模数转换装置，数据处理装置和闭合线圈；其中开口磁环、开口磁环上绕制的闭合线圈、设置在开口磁环的开口处的隧穿磁阻磁传感芯片和与隧穿磁阻磁传感芯片相连的信号调理电路组成电流探头，信号调理电路、模数转换装置和数据处理装置依次电连接。闭合线圈粗细和所绕线圈匝数为闭合线圈参数，经测量计算得到，闭合线圈参数使开口磁环气隙中可能出现的最大磁感应强度不大于隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度。本发明扩大了隧穿磁阻传感器量程，和电力系统电流测量需求契合，灵敏度高，不易损坏，成本低，安装维护方便。

Description

一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器

技术领域

本发明属于传感测量领域，特别涉及利用线圈阻尼大幅提高电流探头测量电流上限幅值，构造一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器。

背景技术

近年来智能电网浪潮席卷全球，已成为当前低碳、高效经济时代全球能源发展和变革的重大研究课题。为实现智能电网实时监测和控制，先进的传感和测量技术亟待开发。

在智能电网的诸多电气参数中，电流量测的需求更加多样化，在不同应用场景中量测信号的幅值、频率、灵敏度、精度要求存在巨大差异：电流幅值涉及从小到mA级的泄漏电流至大到100kA级的短路电流、雷电流，电流频率涉及从直流电流至高达100MHz的电晕电流。此外，电力系统存在复杂的强电磁环境，对测量系统产生严重影响乃至不可逆损坏。

现有电流传感器性能对比如表1所示：

表1现有电流传感器性能对比表

对于最基本的电流信号，目前最常用的是电流互感器。针对智能电网的发展需求，现有电流互感器存在较大局限性：体积较大，而输、配电线路及母线上的安装空间极为有限；制备成本较高，耗费大量金属资源，大规模使用不够经济；功能单一，仅适用于工频交流信号，对于直流、暂态以及高次谐波等都无法量测。霍尔电流传感器经过30年的发展，已非常成熟，但随着研究的深入，研究者们发现霍尔电流传感器的灵敏度(0.05％/Oe)已达到极限，且非常易受温度影响，为满足智能电网中泄漏电流测量求，研究者们正致力于寻找新的更高灵敏度电流传感器。光电互感器目前还处在少量试验/试点运行阶段，性能有待改进，并且设备复杂、价格昂贵，不利于大规模推广应用。鉴于现有电流量测手段已经难以满足智能电网全面、实时感知信息的基本需求，因此亟需研制新型的微型化的电气信号传感器件，具有体积小、成本低、性能优异、适用范围广的特点。相较而言，基于隧穿磁阻效应的电流传感器能够测量直流到MHz量级的高频电流信号，测量频带宽。同时，隧穿磁阻电流传感器还具有灵敏度高，温度稳定性好，结构简单，体积小，成本低，对测量对象非侵入等优点，非常适合智能电网尤其是直流系统对电流的测量需求。但是，包括隧穿磁阻电流传感器、霍尔传感器等在内的通过磁场来测量电流的传感器，对与被测载流导线的相对位置敏感，在实际使用中，为减小由此引起的测量误差，还需要与磁环配合使用。传统隧穿磁阻电流传感器装置组成结构，如图1所示，包括：开口磁环1，隧穿磁阻磁传感芯片2，信号调理电路3(包括仪表放大器和电源)，模数转换装置4和数据处理装置5；其中设置在开口磁环1的开口处的隧穿磁阻磁传感芯片2和与隧穿磁阻磁传感芯片2相连的信号调理电路3组成电流探头，与信号调理电路3，模数转换装置4和数据处理装置5依次电连接。测量时，待测的载流导线穿过开口磁环1放置。由于开口磁环1有汇聚磁场的作用，开口磁环1的使用进一步提高了电流探头的灵敏度，但减小了电流探头的电流测量上限，传统隧穿磁阻电流传感器测量大电流时极易饱和。此外，磁环的使用使得磁环气隙中的芯片在测量大电流时易于损坏，这些都限制了隧穿磁阻电流传感器的推广使用。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器。本发明对实现电流传感器大量程、低成本、小型化、高可靠性、便于安装维护等具有十分重要的意义。

本发明提出的一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器，该传感器包括：开口磁环，隧穿磁阻磁传感芯片，信号调理电路，模数转换装置，数据处理装置；其特征在于，还包括闭合线圈；其中闭合线圈绕制在开口磁环上，用以扩大电流测量量程；设置在开口磁环的开口处的隧穿磁阻磁传感芯片和与隧穿磁阻磁传感芯片相连的信号调理电路组成电流探头，与信号调理电路、模数转换装置和数据处理装置依次电连接；测量时，待测的载流导线穿过所述开口磁环放置。

本发明提出的基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器具有以下特点及优点：

1、能够有效拓展隧穿磁阻传感器量程。本发明通过对传统电流探头中的磁环进行绕线处理并对绕线粗细和匝数进行优化，形成与被测电流产生的磁力线相交联的阻尼绕组。当高频冲击电流到来时，本发明中的绕线磁环具有极大电抗，可有效削弱气隙磁场，达到保护磁传感芯片、扩大量程之目的。基于电磁感应原理，量程的扩大程度随被测电流频率的升高而增大。

2、和电力系统电流测量需求契合。电力系统中，大电流往往具有高频特性，而正常工作时的工频电流较小。采用本发明的磁环绕线方式扩大量程，可以在保证不削弱工频电流产生的气隙磁场的基础上，有效的降低冲击电流产生的气隙磁场。本发明和电力系统的实际电流测量需求相契合。

3、简单，可靠，易行。隧穿磁阻电流传感器探头通常采用开口磁环的配置方式以降低传感器对导线位置的敏感度，本发明保留磁环配置方式，仅用到便宜的金属导线，在磁环上进行线圈缠绕，无绝缘要求，且对导线粗细和匝数的要求非常灵活；本发明采用非侵入式设计，便于调试和安装维护；且本发明提出的闭合线圈不易损坏，不易劣化，耐冲击性能强，相较于针对电路、磁传感芯片进行改进的其他方法，本发明在不增加额外传感探头和相应调理电路的基础上扩大了电流测量量程，具有明显优势，更加可靠。

附图说明

图1是传统隧穿磁阻电流传感器的结构示意图。

图2是本发明提出的基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器的结构示意图。

图中，1、开口磁环，2、隧穿磁阻磁传感芯片，3、信号调理电路，4、模数转换装置，5、数据处理装置，6、闭合线圈。

具体实施方式

本发明提出的一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下：

本发明提出的基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器，结构如图2所示，包括：开口磁环1，隧穿磁阻磁传感芯片2，信号调理电路3(包括仪表放大器和电源)，模数转换装置4，数据处理装置5(与传统隧穿磁阻电流传感器装置组成结构相同)；在此基础上还包括闭合线圈6；其中，闭合线圈6绕制在开口磁环1上，用以扩大电流测量量程；设置在开口磁环1的开口处的隧穿磁阻磁传感芯片2和与隧穿磁阻磁传感芯片2相连的信号调理电路3组成电流探头，与信号调理电路3、模数转换装置4和数据处理装置5依次电连接；测量时，待测的载流导线穿过所述开口磁环1放置。

所述开口磁环采用铁氧体制成，开口的两对边平行；所述开口磁环上绕制的闭合线圈由铜导线制成。

所述闭合线圈参数为闭合线圈粗细和所绕线圈的匝数，选择的闭合线圈参数满足使开口磁环气隙中出现的最大磁感应强度小于等于隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度。

所述选择的闭合线圈参数满足上述要求的闭合线圈粗细和所绕线圈匝数，根据测量并经计算得到如下表达式：

式中：B_sat为隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度，为载流导线中可能出现的最大电流，N为所绕线圈匝数，d为开口磁环的气隙长度，μ₀为空气磁导率(μ₀＝4π×10^-7)，S为开口磁环的横截面积，ω为角频率，j为虚数单位，ρ为线圈所用导线电阻率(通常采用铜导线，电阻率为：0.0178Ωmm²/m)，L为开口磁环截面周长，S_c为闭合线圈所用导线的截面积为磁环的横截面积；

所述隧穿磁阻磁传感芯片采用常规产品，用于测量气隙磁场；所述信号调理电路包括常规仪表放大器及电源，用于放大测量电压，并起到隔离作用。

本发明提出的基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器，所述开口磁环上缠绕闭合线圈的粗细即闭合线圈所用导线截面积S_c和所绕线圈匝数N根据测量并经计算得到，所设计的闭合线圈参数(粗细S_c、匝数N)使开口磁环气隙中可能出现的最大磁感应强度不大于隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度；具体计算步骤如下：

1)得到开口磁环气隙磁感应强度与的表达式；

忽略线圈中的漏磁情况，假设磁环磁导率远大于空气磁导率，则根据安培环路定律和电磁感应定律得到式(1)和式(2)：

式(1)中，i₁为待测导线中的电流，i₂为闭合线圈中的电流，N为所绕线圈匝数，d为开口磁环的气隙长度，μ₀为空气磁导率(μ₀＝4π×10^-7)，B为开口磁环气隙中的磁感应强度；式(2)中，为开口磁环气隙中磁感应强度的变化率，S为开口磁环的横截面积；

联立式(1)、式(2)，得到微分方程如式(3)所示：

式(3)中，r为闭合线圈电阻，t为时间；

将式(3)变换到复频域得到式(4)：

式(4)中，分别为i₁、i₂的复频域表达式，ω为角频率，j为虚数单位；

求解式(4)得到闭合线圈中电流表达式，如式(5)所示：

将式(5)代入式(1)得到开口磁环气隙磁感应强度的表达式，如式(6)所示：

2)确定闭合线圈参数，包括：闭合线圈的粗细S_c和所扰线圈匝数N；

设定闭合线圈粗细S_c和匝数N的约束条件，使得开口磁环气隙中可能出现的最大磁感应强度小于等于隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度，如式(7)所示：

B_max≤B_sat (7)

式(7)中，B_max为磁环气隙中最大磁感应强度；B_sat为隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度，实验时由所选取的隧穿磁阻芯片的固有性质决定(实验中选用的TMR501芯片饱和磁感应强度为1000Oe)；

闭合线圈电阻r和闭合线圈粗细S_c、匝数N的关系如式(8)所示：

式(8)中，ρ为线圈所用导线电阻率(通常采用铜导线，电阻率为：0.0178Ωmm²/m)，L为开口磁环截面周长，S_c为闭合线圈所用导线截面积；

联立式(6)、(7)、(8)，得到闭合线圈参数(粗细S_c、匝数N)在设计时需满足条件如式(9)所示：

式(9)中，为载流导线中可能出现的最大电流；当给定测量中可能出现的最大电流后，根据式(9)设定闭合线圈粗细S_c和匝数N的约束条件，使得开口磁环气隙中磁感应强度不大于隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度B_sat，以保证测量可靠。

Claims (3)

1.一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器，该传感器包括：开口磁环，隧穿磁阻磁传感芯片，信号调理电路，模数转换装置，数据处理装置和闭合线圈；其中闭合线圈绕制在开口磁环上，用以扩大电流测量量程；设置在开口磁环的开口处的隧穿磁阻磁传感芯片和与隧穿磁阻磁传感芯片相连的信号调理电路组成电流探头，与信号调理电路、模数转换装置和数据处理装置依次电连接；测量时，待测的载流导线穿过所述开口磁环放置；所述闭合线圈参数为闭合线圈粗细和闭合线圈的匝数，选择的闭合线圈参数使开口磁环气隙中出现的最大磁感应强度小于等于隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度；其特征在于，所述闭合线圈参数表达式如下：

式中，B_sat为隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度，为载流导线中可能出现的最大电流，N为闭合线圈的匝数，d为开口磁环的气隙长度，μ₀为空气磁导率，μ₀＝4π×10^-7，S为开口磁环的横截面积，ω为角频率，j为虚数单位，ρ为线圈所用导线电阻率，L为开口磁环截面周长，S_c为闭合线圈所用导线截面积；通过选择磁环的横截面积S与导线截面积S_c及线圈匝数N的组合使参数表达式成立。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述开口磁环采用铁氧体制成，开口的两对边平行；所述闭合线圈由铜导线制成。

3.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述闭合线圈参数具体计算步骤如下：

1)得到开口磁环气隙磁感应强度的表达式；

忽略线圈中的漏磁情况，假设磁环磁导率远大于空气磁导率，则根据安培环路定律和电磁感应定律得到式(1)和式(2)：

式(1)中，i₁为待测导线中的电流，i₂为闭合线圈中的电流，N为闭合线圈的匝数，d为开口磁环的气隙长度，μ₀为空气磁导率，μ₀＝4π×10^-7，B为开口磁环气隙中的磁感应强度；

式(2)中，为开口磁环气隙中磁感应强度的变化率，S为开口磁环的横截面积；

联立式(1)、式(2)，得到微分方程如式(3)所示：

式(3)中，r为闭合线圈电阻，t为时间；

将式(3)变换到复频域得到式(4)：

式(4)中，分别为i₁、i₂的复频域表达式，ω为角频率，j为虚数单位；

求解式(4)得到闭合线圈中电流表达式，如式(5)所示：

将式(5)代入式(1)得到开口磁环气隙磁感应强度的表达式，如式(6)所示：

2)确定闭合线圈参数；

设定闭合线圈粗细S_c和匝数N的约束条件，使得开口磁环气隙中可能出现的最大磁感应强度不大于隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度，如式(7)所示：

B_max≤B_sat(7)

式(7)中，B_max为磁环气隙中最大磁感应强度；B_sat为隧穿磁阻芯片的饱和磁感应强度，实验时由所选取的隧穿磁阻芯片的固有性质决定；

闭合线圈电阻r和闭合线圈粗细S_c、匝数N的关系如式(8)所示：

式(8)中，ρ为线圈所用导线电阻率，L为开口磁环截面周长，S_c为闭合线圈所用导线截面积；

联立式(6)、(7)、(8)，得到闭合线圈参数：粗细S_c、匝数N，满足条件如式(9)所示：

式(9)中，为载流导线中可能出现的最大电流。