CN109100565A - 一种基于巨磁阻传感器的功率计设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于巨磁阻传感器的功率计设计方法及系统，本发明使用巨磁阻(GMR)传感器作为功率传感器，通过合适的电路结构，将电路的电功率转化为巨磁阻传感器的供电电压和测量磁场的乘积，根据传感器的输出电压值，便可以计算出电功率。通过控制设备采集传感器输出电压，进行换算后在显示设备上进行显示，从而直观地观测电路功率大小。本发明采用巨磁阻传感器作为功率传感器，巨磁阻传感器是一种新型的高性能电气检测元件，既可以测量直流电信号，也可以测量高频(MHz量级)的交流信号，内部采用惠斯通电桥结构，克服了传统传感器带宽窄、体积大、易受温度影响等缺点，频带范围宽，测试方法简单，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电能计量技术领域，特别是一种基于巨磁阻传感器的功率计设计方法及系统。
背景技术
在全球能源互联网的背景下，智能电网已经成为全球能源发展与变革中的重大研究课题，是未来电网的发展趋势，其中，先进的传感器和测量技术是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础，也是智能电网发展的关键。电功率测量是电气测量关键技术之一，传统的电功率测量方法主要有2种：时分割(TDM)功率测量技术和数字采样(DSM)电功率测量技术。目前，国内外功率测量技术及理论研究主要集中在TDM方法和DSM方法两方面，但是这两种方法都有其各自的缺点。本发明在现有科技成果的基础上，提出一种基于巨磁阻传感器的新的功率测量方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种基于巨磁阻传感器的功率计设计方法及系统，采用巨磁阻传感器作为功率传感器，巨磁阻传感器是一种新型的高性能电气检测元件，既可以测量直流电信号，也可以测量高频(MHz量级)的交流信号，内部采用惠斯通电桥结构，克服了传统传感器带宽窄、体积大、易受温度影响等缺点，具有广泛的应用前景。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，它包括有：
所述方法步骤如下：
S1：采用巨磁阻传感器为功率传感器，将电路的电功率转化为巨磁阻传感器的供电电压和测量磁场的乘积；
S2：根据巨磁阻传感器的输出电压值，经过信号放大调零单元后计算出电路的电功率。
进一步，还包括有：巨磁阻传感器的输出电压U与负载导线的电流IL成正比，同时与其供电电压U1成正比，且巨磁阻传感器的供电电压
则巨磁阻传感器的输出电压U为：U＝k·UL·IL；
其中，k1为电压比例系数，k为第二比例系数，R1为输入电阻，UL为负载电压，R为分压电阻；
可以看出，电路电功率大小ULIL与巨磁阻传感器的输出电压U成比例关系，可通过传感器输出电压反映电流电功率的大小。
进一步，所述巨磁阻传感器还包括有：所述巨磁阻传感器的工作电压范围为1-7V，则分压电阻阻值R需满足的条件为：
即，
进一步，根据安培环路定理，被测导线和磁场的关系为：
∮Hdl＝H1·(2πr0-d)+H2·d＝NIL；
式中，H1表示磁环内的磁场强度；H2表示气隙的磁场强度；r0为磁环的平均半径，r0＝(r1+r2)/2；IL为被测电流；磁环气隙宽度为d；
由此可得：
由此可知，磁环磁导率μ远大于真空磁导率μ0，上式可简化为：
因此可知，气隙中磁场大小与负载导线的电流成正比，即B＝k2·IL，k2为磁场大小和负载导线电流大小的比例系数。
进一步，还包括有：在传感器磁场线性范围内，当供电电压一定时，其输出电压U和外加磁场B的大小成正比，即U＝k3·B，k3为输出电压U和外加磁场B的比例系数；
而由B＝k2·IL，可得U＝k4·IL，其中k4＝k3·k2，k4为输出电压U和负载导线电流大小的比例系数。
进一步，步骤S2中所述信号放大调零的放大倍数为：其中，RG为外接电阻；
在交流正弦电路中，电压和电流分别为u，i，设电流电压式中为电压与电流的相位差；
任一时刻t，电路的瞬时功率为：
电路的有功功率
因此，将巨磁阻传感器输出电压经放大调零之后，送到单片机采样并进行积分计算后取平均值，可间接反映电路的有功功率。
本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于巨磁阻传感器的功率计设计系统，它包括有：功率计由分压电阻、开口聚磁环、巨磁阻传感器芯片、信号放大调零电路、控制设备和显示设备组成；
分压电阻与巨磁阻传感器串联后接入电源两端，分压电阻的一端与电源相接，另一端与巨磁阻传感器电源引脚相接，巨磁阻电源地引脚与电源地相连接；
将负载电路导线缠绕在聚磁环上，聚磁环将负载电流产生的磁场聚集之后，作用于巨磁阻传感器，巨磁阻传感器将磁场大小转变为输出电压大小；将其输出电压进行信号放大调零处理，处理后的数据经控制设备采样并换算成真实功率值之后，发送到显示设备进行显示，进而直观地监测功率的大小。
进一步，所述开口聚磁环为铁基非晶合金磁环，所述铁基非晶合金的饱和磁感应强度为1.25T，居里温度大于560℃，饱和磁感应强度下的矫顽力Hc不大于2A/m。
进一步，所述开口聚磁环为带气隙的圆环形磁环；
磁环上的开口气隙尺寸为：长c为3cm，宽d为0.5cm，高h为2cm；
圆环外径r1为8cm，内径r2为5cm，高度h为2cm；
所述开口聚磁环上缠绕的负载导线的匝数为5匝。
进一步，所述信号放大调零单元为AD8421和AD847，所述控制设备为单片机及其外围电路，所述显示设备为液晶显示屏。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
(1)采用巨磁阻传感器作为功率传感器，巨磁阻传感器是一种新型的高性能电气检测元件，既可以测量直流电信号，也可以测量高频(MHz量级)的交流信号，内部采用惠斯通电桥结构，克服了传统传感器带宽窄、体积大、易受温度影响等缺点，具有广泛的应用前景。
(2)设计的功率计无需对负载电压和电流进行单独测量，经过专利中所述的电路结构，将待测电功率大小转化为传感器的输出电压，经标定后，利用控制设备进行换算并在显示设备中进行显示。原理简单，具有成本低，精度好，频带宽等优点，有望在功能和稳定性上全面超越现在的功率仪表。
(3)控制设备为单片机及其外围电路，能在降低设备成本的基础上很好的完成相关的功能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为基于巨磁阻传感器的功率计的连接示意图。
图2为巨磁阻传感器TMR2503的输出电压随外加磁场(外加磁场±50Oe，激励电源1V)的典型曲线图。
图3为巨磁阻传感器TMR2503的内部电路结构图。
图4为信号放大调零单元的电路连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：如图1至图4所示；一种基于巨磁阻传感器的功率计设计系统，它包括有：分压电阻、开口聚磁环、巨磁阻传感器芯片、信号放大调零电路、控制设备和显示设备组成。分压电阻与巨磁阻传感器串联后接入电源两端，分压电阻的一端与电源相接，另一端与巨磁阻传感器电源引脚相接，巨磁阻电源地引脚与电源地相连接。将负载电路导线缠绕在聚磁环上，聚磁环将负载电流产生的磁场聚集之后，作用于巨磁阻传感器，巨磁阻传感器将磁场大小转变为输出电压大小。由于巨磁阻传感器输出电压为几十mV量级，且由于制造工艺等方面的原因存在固有输出电压偏置，因此将其输出电压进行信号放大调零处理，处理后的数据经控制设备采样并换算成真实功率值之后，发送到显示设备进行显示，进而直观地监测功率的大小。
巨磁阻效应是指铁、钴、镍等铁磁材料在磁场中电阻率发成巨大变化的现象，自20世界80年代以来发展迅速。根据使用材料和结构的不同，GMR的磁电阻体系可以分为多层膜结构(ML)、自旋阀结构(SV)、颗粒膜结构(GA)和磁隧道结多层结构(MTJ)。巨磁阻效应在众多领域表现出良好的应用前景，广泛用于磁储存、罗盘、弱磁测量、生物医学、电流测量等领域。在电流测量领域中，INESC-MN实验室的Freitas P.P等学者将GMR应用于集成电路水平的电流测量，电流测量范围在μA至mA量级，但传感器芯片需要紧贴待测电流。OLIVEIRA N.J在传输线电流测量方面进行了研究，实现了对2.1kA工频电流的测量，灵敏度为35μV/A，非线性度为1.5％。相对传统磁传感器或电流传感器，基于巨磁阻效应的传感器具有体积小、高灵敏度、高精度、宽测量范围、低成本、能测量直流和交流信号等综合优势。
巨磁阻传感器型号为江苏多维科技有限公司研制生产的线性磁场传感器TMR2503。磁环的构成材料为铁基非晶合金，具有高导磁率、高饱和磁感应强度、卓越的温度稳定性等优点，铁基非晶合金的饱和磁感应强度为1.25T，居里温度大于560℃，饱和磁感应强度下的矫顽力Hc不大于2A/m。磁环为带气隙的圆环形磁环，圆环外径r1为8cm，内径r2为5cm，高度h为2cm。磁环上的开口气隙尺寸为：长c为3cm，宽d为0.5cm，高h为2cm。磁环上缠绕的负载导线的匝数为5匝。
信号放大调零单元中的信号放大部分使用的主要元件为AD8421，是AD公司的一款低成本、低功耗、极低噪声、超低偏置电流、高速仪表放大器。信号放大调零单元中的信号调零部分使用的主要元件为AD847，是AD公司的一款高速运放，具有低成本、低功耗的出众交流和直流性能。
控制设备为单片机及其外围电路。显示设备为液晶显示屏。
一种基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，它包括有：分压电阻、开口聚磁环、巨磁阻传感器芯片、信号放大调零电路、控制设备和显示设备等。
分压电阻与巨磁阻传感器串联后接入电源两端，通过分压电阻的分压作用，保证巨磁阻传感器两端的电压在其额定工作电压范围内。
巨磁阻传感器的正常工作范围为1-7V，其输入电阻R1为1.5kΩ，负载电压为UL，分压电阻的阻值为R，因此传感器两端的工作电压U1为其中，k1为电压比例系数。同时要保证传感器的工作电压为1-7V，则分压电阻阻值R需满足条件：
即，
在本发明中，将巨磁阻传感器放进聚磁环的气隙里，并将传感器和磁环的相对位置固定，将负载电路导线缠绕在聚磁环上，聚磁环将负载电流产生的磁场聚集之后，作用于巨磁阻传感器，巨磁阻传感器将磁场大小转变为输出电压大小。
根据安培环路定理，被测导线和磁场的关系为：
∮Hdl＝H1·(2πr0-d)+H2·d＝NIL；
式中，H1表示磁环内的磁场强度；H2表示气隙的磁场强度；r0为磁环的平均半径，r0＝(r1+r2)/2；IL为被测电流；磁环气隙宽度为d。
由此可得：
由此磁环磁导率μ远大于真空磁导率μ0，上式可简化为：
因此可知，气隙中磁场大小与负载导线的电流成正比，即B＝k2·IL，k2为磁场大小和负载导线电流大小的比例系数。
由图2巨磁阻传感器TMR2303输出电压随外加磁场的典型曲线可以看出，在传感器磁场线性范围内，当供电电压一定时，其输出电压U和外加磁场B的大小成正比，即U＝k3·B，k3为输出电压U和外加磁场B的比例系数。而由B＝k2·IL，可得U＝k4·IL，其中k4＝k3·k2，k4为输出电压U和负载导线电流大小的比例系数。
同时，由图2巨磁阻传感器的内部电路结构可知，TMR2503采用惠斯通电桥结构，其输出电压大小与供电电压大小成正比。
综上，可以得出：巨磁阻传感器TMR2503的输出电压U与负载导线的电流IL成正比，同时与其供电电压U1成正比，即U＝k·UL·IL，k为比例系数。可以看出，电路电功率大小ULIL与巨磁阻传感器TMR2503的输出电压U成比例关系，可通过传感器输出电压反映电流电功率的大小。
在交流正弦电路中，电压电流分别为u，i，设电流电压式中为电压与电流的相位差。任一时刻t，电路的瞬时功率为：
电路的有功功率因此，将巨磁阻传感器输出电压经放大调零之后，送到单片机采样并进行积分计算后取平均值，可间接反映电路的有功功率。通过与标准功率仪表整定校准之后，可在液晶显示屏上显示出真实功率大小。
图4为本发明所述信号放大调零单元的电路图。信号放大电路主要由AD8421仪表放大器组成，通过改变其第二和第三引脚之间外接电阻RG的大小来设定放大倍数G，放大倍数信号调零电路主要由AD847运算放大器及其外围电路组成，通过改变同相输入端的可变电阻大小，调节AD847的输出电压，即到AD8421基准电压引脚的电压，从而调整巨磁阻传感器的固有输出偏置。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1：采用巨磁阻传感器为功率传感器，将电路的电功率转化为巨磁阻传感器的供电电压和测量磁场的乘积；
S2：根据巨磁阻传感器的输出电压值，经过信号放大调零单元后计算出电路的电功率。
2.如权利要求1所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，其特征在于，还包括有：巨磁阻传感器的输出电压U与负载导线的电流IL成正比，同时与其供电电压U1成正比，且巨磁阻传感器的供电电压
则巨磁阻传感器的输出电压U为：U＝k·UL·IL；
其中，k1为电压比例系数，k为第二比例系数，R1为输入电阻，UL为负载电压，R为分压电阻；
可以看出，电路电功率大小ULIL与巨磁阻传感器的输出电压U成比例关系，可通过传感器输出电压反映电流电功率的大小。
3.如权利要求2所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，其特征在于，所述巨磁阻传感器还包括有：所述巨磁阻传感器的工作电压范围为1-7V，则分压电阻阻值R需满足的条件为：
即，
4.如权利要求2所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，其特征在于，根据安培环路定理，被测导线和磁场的关系为：
∮Hdl＝H1·(2πr0-d)+H2·d＝NIL；
式中，H1表示磁环内的磁场强度；H2表示气隙的磁场强度；r0为磁环的平均半径，r0＝(r1+r2)/2；IL为被测电流；磁环气隙宽度为d；
由此可得：
由此可知，磁环磁导率μ远大于真空磁导率μ0，上式可简化为：
因此可知，气隙中磁场大小与负载导线的电流成正比，即B＝k2·IL，k2为磁场大小和负载导线电流大小的比例系数。
5.如权利要求4所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，其特征在于，还包括有：在传感器磁场线性范围内，当供电电压一定时，其输出电压U和外加磁场B的大小成正比，即U＝k3·B，k3为输出电压U和外加磁场B的比例系数；
而由B＝k2·IL，可得U＝k4·IL，其中k4＝k3·k2，k4为输出电压U和负载导线电流大小的比例系数。
6.如权利要求1所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计方法，其特征在于，步骤S2中所述信号放大调零的放大倍数为：其中，RG为外接电阻；
在交流正弦电路中，电压和电流分别为u，i，设电流电压式中为电压与电流的相位差；
任一时刻t，电路的瞬时功率为：
电路的有功功率
因此，将巨磁阻传感器输出电压经放大调零之后，送到单片机采样并进行积分计算后取平均值，可间接反映电路的有功功率。
7.如权利要求1-6任一权利要求所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计系统，其特征在于，所述系统包括有：功率计由分压电阻、开口聚磁环、巨磁阻传感器芯片、信号放大调零电路、控制设备和显示设备组成；
分压电阻与巨磁阻传感器串联后接入电源两端，分压电阻的一端与电源相接，另一端与巨磁阻传感器电源引脚相接，巨磁阻电源地引脚与电源地相连接；
将负载电路导线缠绕在聚磁环上，聚磁环将负载电流产生的磁场聚集之后，作用于巨磁阻传感器，巨磁阻传感器将磁场大小转变为输出电压大小；将其输出电压进行信号放大调零处理，处理后的数据经控制设备采样并换算成真实功率值之后，发送到显示设备进行显示，进而直观地监测功率的大小。
8.如权利要求7所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计系统，其特征在于，所述开口聚磁环为铁基非晶合金磁环，所述铁基非晶合金的饱和磁感应强度为1.25T，居里温度大于560℃，饱和磁感应强度下的矫顽力Hc不大于2A/m。
9.如权利要求7所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计系统，其特征在于，所述开口聚磁环为带气隙的圆环形磁环；
磁环上的开口气隙尺寸为：长c为3cm，宽d为0.5cm，高h为2cm；
圆环外径r1为8cm，内径r2为5cm，高度h为2cm；
所述开口聚磁环上缠绕的负载导线的匝数为5匝。
10.如权利要求7所述的基于巨磁阻传感器的功率计设计系统，其特征在于，所述信号放大调零单元为AD8421和AD847，所述控制设备为单片机及其外围电路，所述显示设备为液晶显示屏。
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