CN111398649A - 基于dsp的tmr阵列的测量大电流的开合式柔性探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及探测器，具体说是基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，包括控制处理模块和由数个磁传感器构成的阵列模块，所述控制处理模块包括DSP处理电路和数个ADC模块，每一个磁传感器将测量到的待测导体的信号通过对应的ADC模块进行AD转换后传输至所述DSP处理电路，该DSP处理电路读取并处理转换信号后输出。本发明的基于DSP控制的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器可具有8路独立的TMR阵列传感器信号，其先送到ADC模块，经ADC处理后被DSP读取，再通过LCD显示屏或ethernet通信传输数据，从而可获得较高精度的大电流测量数据。

Description

基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器

技术领域

本发明涉及探测器，具体说是一种基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器。

背景技术

传统的大电流测量方式主要是使用电磁式电流互感器测量电力系统电流，其体积大、高频趋肤效应显著、频率响应不高，无法适应信息化的要求。随着电子信息技术的发展，磁传感器在测量领域的应用越来越广泛，已经成为电子测量领域和高水平控制系统的关键器件之一。磁传感器测量大致经历了3个阶段：最初阶段为单传感器测量，但是单传感器不能区分被测电流自身产生的磁场和干扰磁场，精度达不到大型设备的要求；后来采用环形传感器阵列，将磁传感器环绕着母排周围，可以极大地提高测量精度，但这种方法只适用于测量直流情形，不能满足交流情形；第三种发展到现在利用合理传感器阵列拓扑结构进行测量，通过对传感器的输出信息进行合理分析处理，在排除干扰的同时建立磁场与电流的关系。

隧道磁电阻(TMR)器件是继霍尔器件、各向异性磁电阻AMR和巨磁电阻GMR之后的新一代磁敏器件，具有低功耗、低温飘及高灵敏度的特点。在电流传感器中，采用TMR替代霍尔器件，可显著改善电流传感器的灵敏度和温度特性。隧道磁电阻(TMR)器件是通过直接测量磁场，可得到被测电流中所有的物理量，其相比霍尔元件相比，具有温度特性好、灵敏度高、成本较低的特点，在电流测量领域具有较好的应用潜力。不过由于TMR元件本身信号较小，需要用运放将传感器信号进行放大，系统才能够识别器件信号，此时放大电路的噪声和非线性是会引起测量误差。另外，对于小电流测量，由于TMR元件本身噪声和电子回路噪声的存在，使得在较小电流测量时，测量精度会下降，可能达不到实际的需求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种配线密度高、重量轻、厚度薄的基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器,该探测器内部由8个TMR磁传感器等间距排列的分布在一个圆环上，每个磁传感器到圆环的中心距离相等且每一个磁传感器灵敏方向沿待测导体截面切线方向放置，电路板结构采用柔性材料PCB制作，采用开合式结构，具有随意开合等优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，包括信号处理模块和由八个磁传感器构成的阵列模块，其特征在于所述八个磁传感器环形阵列在待测导体周围，通过计算八个磁传感器的磁感应强度B_i，i＝1,2,...8并依据以下式(1)求出R、α₀、I₁、I₂、D、β₀的值：

其中，八个磁传感器阵列中心的坐标为(0，0)；待测导体极坐标为(R,α₀)；干扰电流导体的极坐标为(D,0)；设第1个磁传感器的极坐标为(r,β₀)，则第i个磁传感器的极坐标为

I₁为待测电流；I₂为干扰电流；μ₀ I为真空磁导率；D₀为待测导体到干扰电流导体之间的直线距离；πr_i为第i个磁传感器到待测导体之间的直线距离；α_i为第i个磁传感器到待测导体之间直线距离所在直线与(D₀所在直线的夹角。

作为优选，磁感应强度B通过以下式(2)计算：

V_o＝B SV_sA (2)

其中，V_o为柔性探测器的输出电压，S为磁传感器灵敏度，A为放大器放大倍数，V_s为TMR激励电压，通过测量V_o的值分别计算出八个磁传感器的磁感应强度B_i，i＝1,2,...8。

作为优选，根据磁感应强度与电流的关系计算出实测电流I，再根据已求出的待测电流I₁和实测电流I计算出相对误差

作为优选，所述信号处理模块包括DSP处理电路和数个ADC模块，每一个磁传感器将测量到的待测导体的信号通过对应的ADC模块进行AD转换后传输至所述DSP处理电路，该DSP处理电路读取并处理转换信号后输出。

作为优选，所述DSP处理电路通过SPI接口输出信号，再通过LCD显示屏显示出来。

作为优选，所述DSP处理电路通过SPI接口输出信号，再通过ethernet通信传输至上位机。

作为优选，所述磁传感器采用隧道磁电阻传感器。

作为优选，该探测器采用开合式结构。

作为优选，所述阵列模块集成在柔性PCB板上。

作为优选，每一个磁传感器灵敏方向沿待测导体截面切线方向设置。

从以上技术方案可知，本发明的基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器可具有8路独立的TMR阵列传感器信号，其先送到ADC模块，经ADC处理后被DSP读取，再通过LCD显示屏或ethernet通信传输数据，从而可获得较高精度的大电流测量数据。且本发明的探测器采用开合式的结构，PCB采用柔性材料制作，其探头可随意开合弯折、配线密度高、重量轻、厚度薄等优点。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的待测导体在阵列中心的结构示意图。

图3为本发明的待测导体有位置偏差的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1、图2和图3详细介绍本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1，本发明提供一种基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，该探测器主要由两部分组成，一是由八个磁传感器11构成的阵列模块1，二是由DSP处理电路21、数个ADC模块22构成的控制处理模块2。磁传感器构成阵列探头测量电流主要解决了两个问题：一是干扰电流未知这一条件对磁传感器测量结果的影响，二是待测导体5位置不在阵列中心(导体位置偏差)对测量结果的影响。据此，传感器阵列需要根据测量数据完成6个参数的计算：待测电流、干扰电流、干扰电流位置(相对待测电流的角度和位置)2个参数、位置偏差(水平方向和垂直方向)2个参数，即一个磁传感器测量待测导体的电流信号,一个磁传感器测量干扰电流信号，一个磁传感器测量干扰电流角度位置信号，一个磁传感器测量干扰电流距离位置信号、一个磁传感器测量水平方向位置偏差信号、一个磁传感器测量垂直方向位置偏差信号。由于每个传感器输出一个测量数据，所以磁传感器阵列至少需要由六个磁传感器构成，并环形阵列在待测导体周围。为适应不同的测试环境，增加冗余度，本发明采用八个磁传感器均匀分布在待测导体周围，且到导体距离相等，磁传感器灵敏方向沿导体截面切线方向。DSP、ADC构成的控制处理模块主要对磁传感器的信号进行AD转换、读取、处理，然后通过SPI接口输出信号，再通过LCD显示屏3显示出来，或通过ethernet通信传输至上位机4。

根据上述原理，具体计算如下：

如图2、图3所示，图中磁传感器的箭头方向为磁传感器灵敏方向，设磁传感器阵列中心的坐标为(0，0)，八个磁传感器分别为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈，其中S₁的极坐标为(r,β₀)，则标号为i的传感器的极坐标为

待测导体5偏离阵列中心，其极坐标为(R,α₀)。干扰电流导体6的极坐标为(D,0)。

设待测电流为I₁，干扰电流为I₂，根据毕奥-萨法尔定律，标号为i的磁传感器输出的磁感应强度为

式(1)中，未知变量有六个，分别是R、α₀、I₁、I₂、D、β₀，可以计算八个磁感应强度，故根据广义最小二乘算法，可求出上述六个出未知变量。其中的磁感应强度B，可根据TMR磁传感器与灵敏度的关系：V_o＝BSV_sA(V_o为柔性探测器的输出电压，S为磁传感器灵敏度，A为放大器放大倍数，V_s为TMR激励电压)，通过测量V_o的值就可算出磁感应强度B，由此可分别计算出八个磁感应强度B_i，i＝1,2,...8，再算出未知变量R、α₀、I₁、I₂、D、β₀。另外，又可根据磁场强度B与电流I的关系

求出实测电流I，根据已求出的待测电流I₁和实测电流I可算出相对误差的大小，其中相对误差为

本发明对TMR阵列进行了仿真，具体仿真计算如下：

本发明的磁传感器探测器至少需要6个TMR传感器来测量数据，本次采用了8个TMR的传感器，拓展的磁传感器探测器可以有16个以上的TMR传感器。下面是8个TMR传感器与16个TMR传感器的仿真对比分析。

(1)8个TMR时的仿真结果

设待测电流I₁分别为100A、500A和1000A，在每种情况下将干扰电流I₂从100A到1000A变化。假定D＝0.5m，r＝0.06m，

R＝0.01m。应用MATLAB软件，对式(1)进行仿真计算，可得到表1到表3所示的仿真结果(第二排为16个TMR时的数据)。表中数据为估算电流I_e与仿真电流I₁的相对误差ε：

表1 D＝0.5m时的计算结果(导体偏离阵列中心(0,0))

表2 D＝0.5m时的计算结果(导体偏离阵列中心

)

表3 D＝0.5m时的计算结果(导体偏离阵列中心

)

(2)16个TMR时的仿真结果

设待测电流I₁分别为100A、500A和1000A，在每种情况下将干扰电流I₂从100A到1000A变化。假定D＝0.5m，r＝0.06m，

R＝0.01m。应用MATLAB软件，对式(1)进行仿真计算，为对比方便，将测量误差也列写在表1至表3中，如表中的第二排所写。

根据上述设定的实验条件和计算结果，可知：

(1)如表1所示，若待测电流导体处于传感器阵列中心，则外界干扰电流对测量结果的影响很小，可以忽略。

(2)如表2与表3所示，若待测电流导体偏离传感器阵列中心，则测量结果误差急剧增大，并随干扰电流变化整体呈增长趋势。如表2所示，干扰电流I₂等于待测电流I₁时，ε＝0.2％；但当I₂＝10I₁时，ε＝8.6％。

(3)如表2与表3所示，若待测电流导体偏离传感器阵列中心，16个传感器构成的阵列测量的误差与8个传感器构成的阵列测量的误差相比几乎没有变化。

(4)如表2与表3所示，待测电流导体偏离传感器阵列中心越大，测量结果的误差整体偏大。

(5)仿真实验数据表明待测电流导体偏离传感器阵列中心的大小是影响测量准确度的主要因素。

Claims (10)

1.基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，包括信号处理模块和由八个磁传感器构成的阵列模块，其特征在于所述八个磁传感器环形阵列在待测导体周围，通过计算八个磁传感器的磁感应强度B_i，i＝1,2,...8并依据以下式(1)求出R、α₀、I₁、I₂、D、β₀的值：

其中，八个磁传感器阵列中心的坐标为(0，0)；待测导体极坐标为(R,α₀)；干扰电流导体的极坐标为(D,0)；设第1个磁传感器的极坐标为(r,β₀)，则第i个磁传感器的极坐标为

I₁为待测电流；I₂为干扰电流；μ₀I为真空磁导率；D₀为待测导体到干扰电流导体之间的直线距离；πr_i为第i个磁传感器到待测导体之间的直线距离；α_i为第i个磁传感器到待测导体之间直线距离所在直线与(D₀所在直线的夹角。

2.根据权利要求1所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：磁感应强度B通过以下式(2)计算：

V_o＝B SV_sA (2)

其中，V_o为柔性探测器的输出电压，S为磁传感器灵敏度，A为放大器放大倍数，V_s为TMR激励电压，通过测量V_o的值分别计算出八个磁传感器的磁感应强度B_i，i＝1,2,...8。

3.根据权利要求2所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：根据磁感应强度与电流的关系计算出实测电流I，再根据已求出的待测电流I₁和实测电流I计算出相对误差

4.根据权利要求1或2或3所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：所述信号处理模块包括DSP处理电路和数个ADC模块，每一个磁传感器将测量到的待测导体的信号通过对应的ADC模块进行AD转换后传输至所述DSP处理电路，该DSP处理电路读取并处理转换信号后输出。

5.根据权利要求4所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：所述DSP处理电路通过SPI接口输出信号，再通过LCD显示屏显示出来。

6.根据权利要求4所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：所述DSP处理电路通过SPI接口输出信号，再通过ethernet通信传输至上位机。

7.根据权利要求1所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：所述磁传感器采用隧道磁电阻传感器。

8.根据权利要求1所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：该探测器采用开合式结构。

9.根据权利要求1所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：所述阵列模块集成在柔性PCB板上。

10.根据权利要求1所述基于DSP的TMR阵列的测量大电流的开合式柔性探测器，其特征在于：每一个磁传感器灵敏方向沿待测导体截面切线方向设置。

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