CN112834805A - 具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法，通过获取待测导线周围的磁通量及聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；根据磁场强度和相对位置信息，计算得出待测导线中的电流。通过在隧道磁阻电流传感器上增加角度传感器，测量传感器与待测导线的相对偏移位置，校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。

Description

具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法

技术领域

本发明涉及电力传感器领域，尤其涉及一种具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法。

背景技术

电流是能耗监测的基础测量对象之一。通过研发小型化、高精度、非接入式的电流传感器，可为随器量测、能效监测、负荷控制等各类量测终端的小型化、模块化、标准化奠定坚实基础，将状态感知延伸到用能设备端。

电力系统中需要根据不同电流的测量场景选择合适的传感器。目前较为成熟的电流传感技术主要包括分流电阻(Shunt)、电流互感器(CT)、罗科夫斯基线圈(Rogowski)、霍尔电流传感器(Hall)、光纤电流传感器(FOCT)、磁通门电流传感器(Fluxgate)等，但将这些设备应用到电网的各类电流测量中都有各自的缺点：分流电阻串联在电路中，测量大电流时的损耗大、没有电气绝缘，因此在需要电气绝缘的环境中使用时，需要额外配置电气绝缘措施，导致成本升高、带宽降低；罗氏线圈和传统电流互感器体积较大，仅适用于工频交流信号，测量精度有限；霍尔电流传感器受温度变化影响大；光纤电流传感器由于质地较脆，极易受振动的影响，对工艺水平要求较高，造价昂贵。电流测量亟待性能更优异的电流传感器。隧道磁电阻(TMR,Tunneling Magneto-Resistance)是近年研究出的新型磁电阻效应传感器元件，代表了磁敏新材料技术发展方向，基于隧穿磁阻效应的无接触式电流传感器具有灵敏度高、线性度好，测量范围大，动态响应性能好等优势，是今后电流传感器重要的发展方向。

目前常规的隧道磁组电流传感器包括隧道磁阻芯片、磁环、信号调理电路。待测导线中的电流在周围空间产生磁场，磁环对空间磁场进行聚磁作用，隧道磁阻芯片位于在磁环开口处，其内部电桥电阻发生变化并进一步转换为电压信号，该信号通过信号处理信号进行放大、滤波等处理后，输出模拟信号。

实际应用中会出现的传感器与待测导线存在不同程度的角度偏转和位置偏移，待测导线也很难位于传感器的几何中心，会对传感器的测量精度会造成一定程度的影响，虽然通过磁环聚集磁通量的方法提高了磁场增益，但是不能从根本上消除空间位置所带来的误差。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种具有误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法，通过在隧道磁阻电流传感器上增加角度传感器，测量传感器与待测导线的相对偏移位置，校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。

本发明一方面的实施例提供具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，包括：依次连接的聚磁环、TMR敏感芯片、微处理器；以及与微处理器连接的角度传感器；

所述聚磁环，套设在待测导线外部，用于获取待测导线周围的磁通量；

所述角度传感器，用于获取聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；

所述TMR敏感芯片，设置在聚磁环的气隙间隔处，用于根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；

所述微处理器，用于根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。

在本发明提供的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器中，采用角速度传感器获取相对位置，对聚磁环与TMR芯片在使用时出现的位置偏差，进行修正，实现了校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。

优选的，所述角度传感器包括相对位置矩阵单元，所述相对位置矩阵单元采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度

形成的变换矩阵表示相对位置。

在上述任意一项实施例中进一步优选的，所述微处理器，包括磁场放大倍数测量单元、偏转矩阵计算单元和电流计算单元；

所述磁场放大倍数测量单元，根据无偏转情况下，使用磁环时的TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；

所述偏转矩阵计算单元，用于根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；

所述电流计算单元；用于根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。

在本实施例中，通过计算磁场强度增大倍数，以及利用相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；即可反向计算得出待测导线中的电流，减小了由于空间位置误差，通过项数消减，减少了计算量，计算结果更准确。

在上述任意一项实施例中进一步优选的，还包括设置在TMR敏感芯片与位处理器之间依次连接的信号处理电路、模数转换电路；以及为其他模块供电的电源电路；

所述信号处理电路用于将磁场强度信号进行放大、滤波；所述模数转换电路用于将滤波后的模拟信号转化为数字信号；所述电源电路用于给其他模块进行供电。

在上述任意一项实施例中进一步优选的，还包括数据传输模块，所述数据传输模块，用于将计算得出的待测导线中的电流数据进行打包上传。

在本实施例中，将电流传感器与角度传感器进行一体化设计，改进电流传感器空间位置误差校准方法，进一步降低电流测量误差，提高电流传感器测量精度。所制成的电流测量装置安装在配电箱等用户侧分支线路出线侧，实现电流数据精确采集，配合电压数据采集，可完成能效监测，对用户分支线路回路的用电情况进行监测。

本发明还提供一种位置误差校准方法，包括以下步骤：

S1、获取待测导线周围的磁通量及聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；

S2、根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；

S3、根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。

在上述任意一项实施例中进一步优选的，所述相对位置信息采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度

形成的变换矩阵表示。

在本发明提供的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器中，采用角速度传感器获取相对位置，对聚磁环与TMR芯片在使用时出现的位置偏差，进行修正，实现了校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。

在上述任意一项实施例中进一步优选的，计算待测导线中的电流时，采用以下方法：

根据无偏转情况下，使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；

根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；

根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。

在上述任意一项实施例中进一步优选的，所述进行反向计算时，采用如下公式：

其中，

为气隙中心坐标、

为磁敏单元敏感方向、D为磁环外径，d为磁环内径，μ₀是空气的相对磁导率，g为开口气隙长度，I为待测导线电流。

在上述任意一项实施例中进一步优选的，采用下述公式矩阵表示相对位置信息：

气隙中心坐标

磁敏单元敏感方向

其中，G_z为绕Z轴旋转的变换矩阵，G_Y为绕Y轴旋转的变换矩阵。

在本实施例中，通过计算磁场强度增大倍数，以及利用相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；即可反向计算得出待测导线中的电流，减小了由于空间位置误差，通过项数消减，减少了计算量，计算结果更准确。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的一种具有位置误差校准功能的隧道磁阻电流传感器的整体架构；

图2为本发明提供的一种具有位置误差校准方法的流程图；

图3为理想状态聚磁环和待测导线的相对位置示意图；

图4为实际中聚磁环和待测导线的相对位置示意图；

图5为本发明提供的角度传感器采用电容型倾角传感器的原理图。

图中：

1-待测导线 2-聚磁环 3-TMR芯片4-角度传感器 5-气隙 6-敏感轴。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如图1所示，本发明一方面的实施例提供具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，包括：包括：依次连接的聚磁环2、TMR敏感芯片、微处理器；以及与微处理器连接的角度传感器4；其中，聚磁环2套设在待测导线1外部，TMR敏感芯片，设置在聚磁环2的气隙5间隔处，

所述聚磁环2，用于获取待测导线1周围的磁通量；

所述角度传感器4，用于获取聚磁环2与待测导线1发生相对偏移后的相对位置信息；所述角度传感器4包括相对位置矩阵单元，所述相对位置矩阵单元采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度φ形成的变换矩阵表示相对位置。

所述TMR敏感芯片，用于根据磁通量计算敏感轴6方向上的磁场强度；

所述微处理器，用于根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线1中的电流。

还包括信号处理电路、模数转换电路、电源电路；所述信号处理电路用于将磁场强度信号进行放大、滤波；所述模数转换电路用于将滤波后的模拟信号转化为数字信号；所述电源电路用于给其他模块进行供电。还包括数据传输模块，所述数据传输模块，用于将计算得出的待测导线中的电流数据进行打包上传。

在本实施例中，将电流传感器与角度传感器进行一体化设计，改进电流传感器空间位置误差校准方法，进一步降低电流测量误差，提高电流传感器测量精度。所制成的电流测量装置安装在配电箱等用户侧分支线路出线侧，实现电流数据精确采集，配合电压数据采集，可完成能效监测，对用户分支线路回路的用电情况进行监测。

本发明中，待测电流导线穿过圆形或椭圆形的聚磁环，由聚磁环将待测电流导线周围的磁通量聚集，TMR芯片位于聚磁环开口处，测量聚磁环方面的磁通量，测得磁场强度，将磁场信号转换为电流信号，后续经过信号处理电路将信号放大滤波，模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，由微处理器采集处理，同时，角度传感器将聚磁环和待测导线的相对位置信息采集，数据同步进入微处理器，根据位置信息对所测量到的磁场信号进行实时矢量校正，校正后数据传输模块将数据打包上传。

在本实施例中，通过计算磁场强度增大倍数，以及利用相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；即可反向计算得出待测导线中的电流，减小了由于空间位置误差，通过项数消减，减少了计算量，计算结果更准确。

所述微处理器，包括磁场放大倍数测量单元、偏转矩阵计算单元和电流计算单元；所述磁场放大倍数测量单元，根据无偏转情况下，使用磁环时的TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；

所述偏转矩阵计算单元，用于根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；

所述电流计算单元；用于根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。

本发明还提供一种位置误差校准方法，包括以下步骤：

S1、获取待测导线周围的磁通量及聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；

S2、根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；

S3、根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。

所述相对位置信息采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度

形成的变换矩阵表示。如下述公式4所示。采用下述公式矩阵表示相对位置信息：

气隙中心坐标

磁敏单元敏感方向

其中，G_z为绕Z轴旋转的变换矩阵，G_Y为绕Y轴旋转的变换矩阵。

在本发明提供的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器中，采用角速度传感器获取相对位置，对聚磁环与TMR芯片在使用时出现的位置偏差，进行修正，实现了校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。

因此，计算待测导线中的电流时，采用以下方法：

根据无偏转情况下，使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；

根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；

根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。

进一步所述进行反向计算时，采用如下公式：

其中，

为气隙中心坐标、

为磁敏单元敏感方向、D为磁环外径，d为磁环内径，μ₀是空气的相对磁导率，g为开口气隙长度，I为待测导线电流。

在本实施例中，通过计算磁场强度增大倍数，以及利用相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；即可反向计算得出待测导线中的电流，减小了由于空间位置误差，通过项数消减，减少了计算量，计算结果更准确。

本申请采用实施例，对本申请的微处理器和位置误差校准方法中计算待测导线中的电流的整体计算过程进行说明。

如图3所示，理想安装情况下，聚磁环和待测导线的相对位置。以导线为中心原点，导线电流为Z轴方向，电流方向沿Z轴正方向，开口气隙中心和TMR传感芯片位于X轴，建立直角坐标系，磁环外径D，内径d，厚度h，开口气隙长度g。传感芯片位于气隙中心坐标为

敏感轴方向为

μ₀是空气的相对磁导率，μ_r是聚磁环的相对磁导率。

在不使用磁环情况下，由毕奥—萨伐定律可知，TMR芯片处磁感应用强度为：

使用磁环的情况下，由安培环路定律及磁通连续原理可知，磁环开口气隙处磁场强度为：

使用磁环相比于不使用磁环，敏感芯片所接收到的磁场强度增大倍数为：

实际生产运行中，待测导线可与传感器位置存在X轴和Y轴的偏移，偏转后的传感器空间任意位置可由绕Z轴右手旋转角度θ与绕Y轴左手旋转角度

确定。Givens旋转变换矩阵为：

式中G_z为绕Z轴旋转的变换矩阵，G_Y为绕Y轴旋转的变换矩阵。经过上述两次角度旋转，气隙中心坐标

与磁敏单元敏感方向

为

在X轴偏转角度θ与绕Y轴左手旋转角度

时，无穷长直导线作用下，不使用聚磁环的情况下，TMR芯片敏感轴方向上磁场为：

使用聚磁环的情况下，TMR芯片敏感轴方向上磁场强度为：

B₄＝A·B₃ (公式8)

基于以上公式推导，可以得出，在现有的使用聚磁环的隧道磁阻电流传感器，增加角度传感器，测算出偏转角度θ与旋转角度φ，即可反推出准确的磁场强度，进而计算出准确的电流值。

在本发明提供的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器中，采用角速度传感器获取相对位置，对聚磁环与TMR芯片在使用时出现的位置偏差，进行修正，实现了校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。

需要说明的是，对于角度传感器，目前较常用的角度传感器通常为电容型摆锤原理，利用地球重力原理，当倾角单元倾斜时，地球重力在相应的摆锤上会产生重力的分量，相应的电容量会变化，通过对电容量放大，滤波，模数转换之后得出倾角值，原理示意图如图5所示。在图4坐标系的X轴方向和Y轴方向分别放置倾角传感器即可得出偏转角度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，包括：依次连接的聚磁环、TMR敏感芯片、微处理器；以及与微处理器连接的角度传感器；

所述聚磁环，套设在待测导线外部，用于获取待测导线周围的磁通量；

所述角度传感器，用于获取聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；

所述TMR敏感芯片，设置在聚磁环的气隙间隔处，用于根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；

所述微处理器，用于根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。

2.根据权利要求1所述的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，所述角度传感器包括相对位置矩阵单元，所述相对位置矩阵单元采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度φ形成的变换矩阵表示相对位置。

3.根据权利要求1所述的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，所述微处理器，包括磁场放大倍数测量单元、偏转矩阵计算单元和电流计算单元；

所述磁场放大倍数测量单元，根据无偏转情况下，使用磁环时的TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；

所述偏转矩阵计算单元，用于根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；

所述电流计算单元；用于根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。

4.根据权利要求1所述的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，还包括设置在TMR敏感芯片与位处理器之间依次连接的信号处理电路、模数转换电路；以及为其他模块供电的电源电路；

所述信号处理电路用于将磁场强度信号进行放大、滤波；所述模数转换电路用于将滤波后的模拟信号转化为数字信号；所述电源电路用于给其他模块进行供电。

5.根据权利要求1所述的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，还包括数据传输模块，所述数据传输模块，用于将计算得出的待测导线中的电流数据进行打包上传。

6.一种位置误差校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取待测导线周围的磁通量及聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；

根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；

根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。

7.根据权利要求6所述的位置误差校准方法，其特征在于，所述相对位置信息采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度φ形成的变换矩阵表示。

8.根据权利要求6所述的位置误差校准方法，其特征在于，计算待测导线中的电流时，采用以下方法：

根据无偏转情况下，使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；

根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；

根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量，对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。

9.根据权利要求8所述的位置误差校准方法，其特征在于，所述进行反向计算时，采用如下公式：

其中，

为气隙中心坐标、

为磁敏单元敏感方向、D为磁环外径，d为磁环内径，μ₀是空气的相对磁导率，g为开口气隙长度，I为待测导线电流。

10.根据权利要求7所述的位置误差校准方法，其特征在于，采用下述公式矩阵表示相对位置信息：

气隙中心坐标

磁敏单元敏感方向

其中，G_z为绕Z轴旋转的变换矩阵，G_Y为绕Y轴旋转的变换矩阵。

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