CN111239463A - 一种基于隧穿磁阻的电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于隧穿磁阻的电流传感器，属于电力系统电流测量技术领域，包括开口磁环、隧穿磁阻传感芯片和信号调理电路，设置在开口磁环的气隙处的隧穿磁阻传感芯片与信号调理电路电连接，还包括输出电路，所述输出电路包括反馈线圈和采样电阻，所述反馈线圈绕制在开口磁环上，所述反馈线圈的其中一端连接所述信号调理电路的输出端，由信号调理电路的输出为反馈线圈供电，所述反馈线圈的另一端通过采样电阻接地，以采样电阻两端的电压作为电流传感器的输出，解决现有技术中的传感器对微弱电流测量精度低、效果差的问题。

Description

一种基于隧穿磁阻的电流传感器
技术领域
本发明涉及一种基于隧穿磁阻的电流传感器，属于电力系统电流测量技术领域。
背景技术
隧穿磁阻效应传感芯片具有灵敏度高、噪声水平低的特点，在磁场和电流测量方面具有突出优势，然而目前对μA级的微弱电流传感器主要应用在集成电路电流测量中，一般将电流线集成到巨磁阻传感器件内部，或者将电流线印制在电路板上并紧贴隧穿磁阻传感器件，采用侵入式的测量方式。但是上述这几种测量方式存在测量不方便、设置方式复杂的问题，并不能兼容各种各样的测试场景。
为了解决上述存在的问题，现有技术中基于隧穿磁阻效应提出用于泄漏电流测量的非接触式电流传感器，使用的便捷性较高，适应了电力系统的使用环境。例如，申请公布号为CN 106018939 A、发明名称为“一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器”的中国专利申请，公开了采用开口磁环，以及设置在开口处的隧穿磁阻传感芯片对穿过开口磁环中心处的载流导线中的电流进行测量。但是，该技术方案主要目的是实现大量程，以对较大的电流进行测量，但是利用该种传感器对于百μA级微弱电流进行测量，则会导致测量精度低、效果差的问题。
因此，为了解决上述缺陷，亟需一种适用于多种场景的、能够对微弱电流进行测量的传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于隧穿磁阻的电流传感器，以解决现有技术中的传感器对微弱电流测量精度低、效果差的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种基于隧穿磁阻的电流传感器，包括开口磁环、隧穿磁阻传感芯片和信号调理电路，设置在开口磁环的气隙处的隧穿磁阻传感芯片与信号调理电路电连接，还包括输出电路，所述输出电路包括反馈线圈和采样电阻，所述反馈线圈绕制在开口磁环上，所述反馈线圈的其中一端连接所述信号调理电路的输出端，由信号调理电路的输出为反馈线圈供电，所述反馈线圈的另一端通过采样电阻接地，以采样电阻两端的电压作为电流传感器的输出。
本发明通过绕制在开口磁环上的反馈线圈，通过信号调理电路为该反馈线圈供电以提供反馈电流，从而在对穿过开口磁环的载流导线中的电流进行测量时，载流导线中即使流过微弱的电流，通过载流导线中的电流与反馈线圈中的电流的共同作用，在磁环上产生更大的磁场，使开口磁环气隙处的磁场强度增大，从而隧穿磁阻传感芯片能够有效测量，有效提高了对微弱电流测量的精确性和可靠性。
进一步的，所述信号调理电路包括仪表放大电路和调零电路，所述仪表放大电路的输入端连接所述隧穿磁阻传感芯片的信号输出端，所述仪表放大电路的输出端连接所述调零电路的输入端，所述调零电路的输出端连接所述反馈线圈的其中一端，所述反馈线圈的另一端通过采样电阻接地，以采样电阻两端的电压作为电流传感器的输出。
进一步的，所述调零电路采用运算放大器。
进一步的，所述电流传感器还包括电源电路，用于为所述电流传感器提供工作电源。
进一步的，所述电源电路包括±5V电源模块和±2.5V电源模块，所述±5V电源模块为仪表放大电路和调零电路提供工作电源，所述±2.5V电源模块为隧穿磁阻传感芯片提供工作电源并为调零电路提供参考电位。
附图说明
图1是本发明实施例中的开口磁环结构示意图；
图2是本发明实施例中的隧穿磁阻传感芯片引脚图；
图3是本发明实施例中的仪表放大电路结构图；
图4是本发明实施例中的调零电路结构图；
图5是本发明实施例中的±5V电源组成结构图；
图6是本发明实施例中的±2.5V电源组成结构图；
图7是现有电流传感器传递函数原理图；
图8是本发明实施例中的电流传感器传递函数原理图；
图中，1-隧穿磁阻传感芯片，2-信号调理电路，3-开口磁环，4-反馈线圈，5-采样电阻。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的基于隧穿磁阻的电流传感器实施例：
本实施例中通过在现有基于隧穿磁阻的电流传感器进行改进，在传感器结构中增加了输出电路部分，该输出电路包括反馈线圈和采样电阻，通过将反馈线圈绕制在开口磁环上，并使反馈线圈的其中一端连接所述信号调理电路，所述反馈线圈的另一端通过采样电阻接地，组成了闭环结构的电流传感器。通过电流传感器中的信号调理电路为该反馈线圈供电，从而提供反馈电流，从而在进行测量时，反馈线圈中的电流与载流导线中的电流共同作用，增大了开口磁环气隙处的磁场强度，实现了对微弱电流进行“放大”的作用，即使载流导线中流过的电流比较微弱，也能够实现准确的测量。
下面详细介绍本实施例中该基于隧穿磁阻的电流传感器的组成结构。
开口磁环具有增大磁环开口气隙处磁场强度的作用，从而使传感器能够测量幅值更小的电流，本实施例中电流传感器结构原理如图1所示，使用时，载流导线穿过磁环中心位置，隧穿磁阻传感芯片放置于气隙中心位置处。开口磁环气隙中心处的磁感应强度为：
Figure BDA0002361203810000031
其中，μr为磁环的磁导率，μ0为空气磁导率，D1、D2分别为磁环的内外直径，d为磁环开口气息宽度，h为磁环高度。。
为了使磁环气隙处的磁感应强度尽可能大，开口磁环的尺寸和气隙宽度d应当尽量小，并且能够放入隧穿磁阻传感芯片。本实施例中设置开口磁环尺寸参数为，D1＝2cm，D2＝4cm，d＝9mm，h＝1cm，气隙宽度恰好能够放入隧穿磁阻传感芯片，以获得最大的磁感应强度。磁环材料使用锰锌铁氧体，其相对磁导率在1000以上，并且工作频带能够达到1000kHz左右，上述设置只是一种示例性设置，作为其他实施方式，也可以根据实际测试要求，对上述参数进行合理设置。
本实施例中，隧穿磁阻传感芯片采用惠斯通全桥结构，其引脚定义和灵敏轴方向如图2所示。其中N/A表示空引脚，VCC和GND分别为芯片工作电源和地，V+和V-分别为输出差分信号的正负端。在本示例性实施例中，可以选择隧穿磁阻传感芯片，其灵敏度为12mV/V/Oe，饱和磁场强度为±50Oe，工作电压为1～7V。
信号调理电路中选择仪表放大器作为传感器的放大模块，利用该仪表放大器组成仪表放大电路。由于隧穿磁阻传感芯片的供电电压和四个惠斯通桥臂电阻值的不完全对称，传感芯片的输出电压中不仅包含反应电流大小的差模电压，还包括无用的共模电压。仪表放大器具有很高的共模抑制比，不仅能够放大传感芯片输出电压中的差模成分，而且能够有效抑制其中的共模成分。如图3所示，仪表放大器AD8429的信号输入引脚IN+、IN-分别连接隧穿磁阻传感芯片的差分信号输出，仪表放大器的输出端连接反馈线圈。AD8429具有简单方便的增益调节方式，通过改变外接增益电阻RG的大小即可调节增益，仪表放大器增益与外接增益电阻的关系为：
Figure BDA0002361203810000041
在测量小信号时，隧穿磁阻传感芯片输出信号中的噪声会被仪表放大器同等倍数的放大，造成严重的干扰，因此仪表放大器的增益不能设置的过大。外接增益电阻RG的大小设定为600Ω。
为了提升反馈线圈的作用效果，信号调理电路中，除了仪表放大电路，还设置有调零电路。设置调零电路的作用是消除传感器的直流偏置，调零方式使用运算放大器进行有源调零。由于闭环结构中需要为反馈线圈提供输出电流，因此需要输出电路具有一定的电流输出能力。在本实施例中闭环结构电流传感器中，输出电路一般使用三极管组成的推挽输出结构，但由于三极管具有一定的导通电压，在测量微弱电流时会由于输出电压过小导致三极管无法开通，从而导致无法形成闭环系统。如图4所示，本实施例中采用具有大电流输出能力的运算放大器作为输出级，将调零模块和输出模块使用一片集成两运放芯片进行统一设计。该调零电路中，运算放大器的输入引脚连接仪表放大电路的输出，同时该运算放大器的输出端连接该反馈线圈的其中一端，反馈线圈的另一端通过采样电阻接地，以采样电阻两端的电压作为电流传感器的输出。
本实施例中还设置了为各个电路进行供电的电源电路，具体的，本实施例中，该电源电路为隧穿磁阻传感芯片、信号调理电路、调零电路供电。具体的，电源模块的功能是为传感器系统提供工作电源，该模块包括±5V电源模块和±2.5V电源模块，如图5、6所示，其中±5V电源模块为仪表放大器和运算放大器提供工作电源，±2.5V电源模块为隧穿磁阻传感芯片提供工作电源并为调零电路提供参考电位。例如，本实施例中，传感器可以使用±9V电池供电，±5V电源模块使用串联型稳压芯片LM7805和LM7905将±9V电池电压转化为±5V电压，两个稳压芯片的最大输出电压误差是±2％。为了抑制电源噪声，减小各芯片之间通过电源线引起的噪声干扰，在各芯片的电源引脚与地之间设置了去耦电容，电容大小为0.1uF和10uF，两个电容并联。之后的仪表放大器模块、调零与输出模块中的芯片也采用相同的设置。同时，为了达到较好的滤除噪声的效果，在绘制PCB电路板时，将去耦电容紧邻芯片电源引脚放置，并且电源线经过去耦电容以后再连接至芯片的电源引脚。
本实施例中，该电流传感器的输出电路通过反馈线圈与采样电阻实现，该反馈线圈均匀绕制在开口磁环上，信号调理电路通过该反馈线圈连接采样电阻，采样电阻接地。
如图7所示，为现有开环结构的电流传感器的传递函数原理图，对于现有开环结构的电流传感器，下式成立：
V＝K1KTMRGI1
Kopen＝K1KTMRG
如图8所示，为本实施例中加入反馈线圈和采样电阻后的电流传感器的传递函数原理图。对于闭环结构，下式成立：
Figure BDA0002361203810000051
则，可得：
Figure BDA0002361203810000052
Figure BDA0002361203810000053
在以上的描述中，Kopen和Kclosed分别指示开环结构和闭环结构的灵敏度。
其中，K1为磁环气隙磁感应强度B与待测电流I1的比例关系，KTMR为隧穿磁阻传感芯片的磁场灵敏度，G为放大电路的放大倍数，Rb为闭环结构中反馈电阻的阻值，Ib为闭环结构中的反馈电流，N是反馈线圈匝数，V为传感器的输出电压。
为了能够测量较小的电流信号，需要使得灵敏度大，这就要求传感器设计时应当将K1、KTMR和G的取值设置的较大，并且反馈线圈匝数N和反馈电阻Rb应当进行设置，以使得在数值关系上满足N<<Rb。为了提升测量效果，反馈线圈缠绕在开口磁环上，使用直径0.2mm的漆包线均匀绕制。采样电阻使用贴片高精度电阻。作为一种设置形式，反馈线圈匝数设定为100匝，采样电阻阻值设定为1kΩ。作为其他实施方式，也可以根据需要进行设置。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于隧穿磁阻的电流传感器，包括开口磁环、隧穿磁阻传感芯片和信号调理电路，设置在开口磁环的气隙处的隧穿磁阻传感芯片与信号调理电路电连接，其特征在于，还包括输出电路，所述输出电路包括反馈线圈和采样电阻，所述反馈线圈绕制在开口磁环上，所述反馈线圈的其中一端连接所述信号调理电路的输出端，由信号调理电路的输出为反馈线圈供电，所述反馈线圈的另一端通过采样电阻接地，以采样电阻两端的电压作为电流传感器的输出。
2.根据权利要求1所述的基于隧穿磁阻的电流传感器，其特征在于，所述信号调理电路包括仪表放大电路和调零电路，所述仪表放大电路的输入端连接所述隧穿磁阻传感芯片的信号输出端，所述仪表放大电路的输出端连接所述调零电路的输入端，所述调零电路的输出端连接所述反馈线圈的其中一端，所述反馈线圈的另一端通过采样电阻接地，以采样电阻两端的电压作为电流传感器的输出。
3.根据权利要求2所述的基于隧穿磁阻的电流传感器，其特征在于，所述调零电路采用运算放大器。
4.根据权利要求1所述的基于隧穿磁阻的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器还包括电源电路，用于为所述电流传感器提供工作电源。
5.根据权利要求4所述的基于隧穿磁阻的电流传感器，其特征在于，所述电源电路包括±5V电源模块和±2.5V电源模块，所述±5V电源模块为仪表放大电路和调零电路提供工作电源，所述±2.5V电源模块为隧穿磁阻传感芯片提供工作电源并为调零电路提供参考电位。
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