CN109655652A - 一种基于纵向扼流圈的新型tmr电流传感器 - Google Patents

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刘崇伟
张卫欣
严晶晶
李祯祥
刘卿
王崇
王季孟
刘紫熠
王玥
李蓓
陈晓芳
吉扬
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State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器及其抗地环路干扰方法，包括绝缘底座、印制电路板、TMR芯片以及纵向扼流圈，待测电流导线由绝缘底座下端通过，在绝缘基底上端固装有印制电路板，印制电路板上集成固装TMR芯片，印制电路板内集成有电路导线和信号处理电路，TMR芯片的输出引脚连接到印制电路板电路导线，在绝缘基底上安装有一纵向扼流圈，该纵向扼流圈的输入、输出引脚分别连接到印制电路板电路导线，纵向扼流圈的两个输入端分别与TMR芯片的两个输出端相连接，在纵向扼流圈上缠绕有两条缠绕方式相同的两条导线。本发明在TMR电流传感器的电路结构中添加纵向扼流圈，可以保证在几乎无损地传输信号的同时，抑制地环路的干扰信号。

Description

一种基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器
技术领域
本发明属于TMR(Tunnel Magnetoresistance)磁传感器技术领域，涉及现代电力系统电流检测领域，具体是一种基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器及其抗地环路干扰方法。
背景技术
电流检测装置对于电网的监测与控制具有重要意义。由于传统的电流检测装置存在无法测量直流电流、在大故障电流下易饱和、体积大重量重等缺点，难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断等发展新需求。
TMR是近年研究出的新型磁电阻效应传感器元件，相比于已有传感器，TMR电流传感器具备极高的灵敏度和分辨率、优异的温度稳定性、小体积低功耗以及宽动态范围等优点，是固态传感器技术的发展新趋势。将TMR传感器应用到电力系统的电流测量中，可以有效提升现代电力系统电流监测的精度。
然而，现有的TMR电流传感器在实际使用时需接入直流电源，地线作为直流供电电源的馈线之一，将在传感器中与电源线构成回路；与此同时，传感器需要通过信号线传输监测信号并进行下一步处理，地线也与信号线构成环路。当外界交变磁场与这些地环路交连时，环路中产生的感应电势就有可能叠加到传输信号上形成干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器，包括绝缘底座、印制电路板、TMR芯片以及纵向扼流圈，待测电流导线由绝缘底座下端通过，在绝缘基底上端固装有印制电路板，印制电路板上集成固装TMR芯片，印制电路板内集成有电路导线和信号处理电路，TMR芯片的输出引脚连接到印制电路板电路导线，在绝缘基底上安装有一纵向扼流圈，该纵向扼流圈的输入、输出引脚分别连接到印制电路板电路导线，印制电路板的电路导线与信号处理电路连接，纵向扼流圈的两个输入端分别与TMR芯片的两个输出端相连接，在纵向扼流圈上缠绕有缠绕方式相同的两条导线。
而且，在所述绝缘基底下端安装有固定架，用于固定待测电流导线的位置，TMR元件通过感应磁场产生信号。
而且，所述信号处理电路为信号放大电路和模数转换电路。
而且，所述TMR芯片是一个惠斯通电桥结构，每个桥臂各包含一个相同的TMR元件，惠斯通电桥的输出电压即为TMR芯片的输出信号，所述纵向扼流圈的两个输入端分别与所述TMR芯片惠斯通电桥的两个输出端相连接。
而且，所述纵向扼流圈有L1、L2、L1’、L2’共四个端口，TMR芯片惠斯通电桥输出信号通过纵向扼流圈按L2→L2’→L1’→L1的顺序形成回路，所述纵向扼流圈端口L2→L2’与L1’→L1产生的磁场恰好抵消，外界交变的磁场会在其中引起干扰电动势，由干扰电动势产生的干扰电流流同时从端口L1和端口L2进入扼流线圈，再经由端口L1’和端口L2’流出，在两绕组L2→L2’与L1’→L1内产生的磁场同相叠加，等效为扼流圈对于干扰电流呈现大感抗。
本发明的优点和积极效果是：
本发明在TMR电流传感器的电路结构中添加纵向扼流圈，通过在电路中添加纵向扼流圈，在不影响TMR芯片输出信号的前提下，纵向扼流圈对TMR芯片、信号传输线、下一级信号处理电路、地线之间产生的地环路干扰信号呈现出大感抗，可以保证在几乎无损地传输信号的同时，能有效抑制干扰信号的传输。
附图说明
图1为本发明的新型TMR电流传感器结构示意图(图中：1为绝缘基底，2为印制电路板，3为TMR芯片，4为纵向扼流圈，5为待测电流导线)；
图2为TMR芯片桥式结构与纵向扼流圈、印制电路板连接示意图(图中：虚线表示印制电路板内部集成的导线)；
图3为TMR电流传感器等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器，包括绝缘底座1、印制电路板2、TMR芯片3以及纵向扼流圈4，待测电流导线5由绝缘底座下端通过，在绝缘基底下端安装有固定架，用于固定待测电流导线的位置；在绝缘基底上端固装有印制电路板，印制电路板上固装TMR芯片(磁传感器芯片)，绝缘基底将待测电流和进行电隔离；TMR元件通过感应磁场产生信号，距离的远近会影响磁场大小；
印制电路板内集成有电路导线和信号处理电路，TMR芯片的输出引脚连接到印制电路板内部导线，
在绝缘基底上安装有一纵向扼流圈，该纵向扼流圈的输入、输出引脚分别连接到印制电路板内部导线，印制电路的内部导线能够与其他电路连接。
TMR芯片是一个惠斯通电桥结构，每个桥臂各包含一个相同的TMR元件，惠斯通电桥的输出电压即为TMR芯片的输出信号；
纵向扼流圈的两个输入端分别与TMR芯片惠斯通电桥的两个输出端相连接，在纵向扼流圈上缠绕有两条导线，两条导线的缠绕方式完全一致；纵向扼流圈将输出信号中的地环路干扰信号进行滤除，再通过印制电路板将信号传递到印制电路板集成的下一级信号处理电路(信号放大电路、模数转换电路等)。
如图2所示，纵向扼流圈有L1、L2、L1’、L2’共四个端口，TMR芯片惠斯通电桥输出信号通过纵向扼流圈按L2→L2’→L1’→L1的顺序形成回路，L2→L2’与L1’→L1产生的磁场恰好抵消，可以几乎无损耗地传输信号。TMR全桥结构、扼流线圈、信号处理回路、地线构成地环路，外界交变的磁场会在其中引起干扰电动势，由干扰电动势产生的干扰电流流同时从端口L1和端口L2进入扼流线圈，再经由端口L1’和端口L2’流出，在两绕组L2→L2’与L1’→L1内产生的磁场同相叠加，等效为扼流圈对于干扰电流呈现大感抗，能有效抑制地环路干扰。
通过等效电路分析本电路的工作方法：
如图3所示，图2中TMR电流传感器结构可等效为一个由两个电压源，一对互感线圈，以及电阻组成的回路，其中VTMR为TMR芯片桥式结构输出信号，互感线圈与RL1，RL2表示纵向扼流圈，线圈的电感为L，互感为M，VGround为地环路干扰信号等价电动势，设流过信号处理电路中电阻RS的电流为Is，流过地线的电流为IGround，分析电路有以下等式成立：
首先分析TMR芯片产生的信号VTMR，令VGround＝0，线圈的缠绕方式完全一致，所以有L＝M，整理得：
电阻RL2很小，当电感L较大时，IGround→0，此时有：
而RS远大于RL1，所以RS·Is≈VTMR，TMR芯片信号几乎无损地传播。
同理，分析地环路干扰信号，令VTMR＝0，由式(1)整理可得：
经以上分析可知，在所述TMR电流传感器的电路结构中添加纵向扼流圈，可以在几乎无损地传输信号的同时，抑制地环路的干扰信号。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器，其特征在于：包括绝缘底座、印制电路板、TMR芯片以及纵向扼流圈，待测电流导线由绝缘底座下端通过，在绝缘基底上端固装有印制电路板，印制电路板上集成固装TMR芯片，印制电路板内集成有电路导线和信号处理电路，TMR芯片的输出引脚连接到印制电路板电路导线，在绝缘基底上安装有一纵向扼流圈，该纵向扼流圈的输入、输出引脚分别连接到印制电路板电路导线，印制电路板的电路导线与信号处理电路连接，纵向扼流圈的两个输入端分别与TMR芯片的两个输出端相连接，在纵向扼流圈上缠绕有缠绕方式相同的两条导线。
2.根据权利要求1所述的基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器，其特征在于：在所述绝缘基底下端安装有固定架，用于固定待测电流导线的位置，TMR元件通过感应磁场产生信号。
3.根据权利要求1所述的基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器，其特征在于：所述信号处理电路为信号放大电路和模数转换电路。
4.根据权利要求2所述的基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器，其特征在于：所述TMR芯片是一个惠斯通电桥结构，每个桥臂各包含一个相同的TMR元件，惠斯通电桥的输出电压即为TMR芯片的输出信号，所述纵向扼流圈的两个输入端分别与所述TMR芯片惠斯通电桥的两个输出端相连接。
5.根据权利要求4所述的基于纵向扼流圈的新型TMR电流传感器，其特征在于：所述纵向扼流圈有(L1)、(L2)、(L1’)、(L2’)共四个端口，TMR芯片惠斯通电桥输出信号通过纵向扼流圈按(L2)→(L2’)→(L1’)→(L1)的顺序形成回路，所述纵向扼流圈端口(L2)→(L2’)与(L1’)→(L1)产生的磁场抵消，外界交变的磁场在其中引起干扰电动势，由干扰电动势产生的干扰电流流同时从端口(L1)和端口(L2)进入扼流线圈，再经由端口(L1’)和端口(L2’)流出，在两绕组(L2)→(L2’)与(L1’)→(L1)内产生的磁场同相叠加，等效为扼流圈对于干扰电流呈现大感抗，抑制地环路的干扰信号。
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