CN113295920A - 基于磁阻效应的微直流非接触检测探头和测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微直流检测技术领域，是一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头和测量系统，其前者包括内部传感元件、测量磁场引导层和外屏蔽层，外屏蔽层呈筒状结构，测量磁场引导层同轴套装在外屏蔽层内侧，测量磁场引导层上设有至少一个缺口，内部传感元件位于测量磁场引导层的缺口处置处，内部传感元件与测量磁场引导层组合构成圆筒形状。本发明通过将待测导线穿过内磁场层的内侧，第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件均对待测导线的微直流电流进行检测，替换原有的待测线路，实现不接触测量，避免了对待测电流电路的干扰，方便简单，无需串联到原有的线路中，因此测量电路的工作状态不影响原待测电路的运行，测量稳定。

Description

基于磁阻效应的微直流非接触检测探头和测量系统

技术领域

本发明涉及微直流检测技术领域，是一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头和测量系统。

背景技术

在电力的生产及输送环节中，微直流电流广泛存，微直流电流作为一个重要的基础参数，在很多工业领域都需要进行测量、分析和监控，现有的对微直流电流检测的方式通常采用在待测线路上串入微直流电流测量单元，对微直流电流进行测量、分析和监控，这种微直流电流检测方式不仅会引起信号损耗，而且由于地磁场和外来电磁干扰使得微直流电流的测量精度降低。

发明内容

本发明提供了一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头和测量系统，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有微直流电流检测采用在待测线路上串联微直流电流测量单元的检测方式存在的不能屏蔽地磁场和外来电磁干扰使得微直流电流的测量精度降低的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，包括内部传感元件、测量磁场引导层和外屏蔽层，外屏蔽层呈筒状结构，测量磁场引导层同轴套装在外屏蔽层内侧，测量磁场引导层上设有至少一个缺口，内部传感元件位于测量磁场引导层的缺口处置处，内部传感元件与测量磁场引导层组合构成圆筒形状。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述测量磁场引导层可包括均呈弧形结构的第一测量磁场引导元件、第二测量磁场引导元件、第三测量磁场引导元件，内部传感元件包括第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件，第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件依次设置在第一测量磁场引导元件、第二测量磁场引导元件、第三测量磁场引导元件两两之间，且处于测量磁场引导层的同心圆上，第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件之间的夹角为120°。

上述内部传感元件的数量可为N，N大于1，内部传感元件径向对称地均匀分布在测量磁场引导层的同心圆上，测量磁场引导层设有N个对应的缺口，内部传感器元件的表面测量磁场引导层的同心圆相切，测量方向一致。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种微直流非接触测量系统，其特征在于包括如权利要求1至3所述的基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，还包括放大电路、双向A/D转换电路、处理器、显示电路和电源，电源分别为检测探头、放大电路、双向A/D转换电路、处理器和显示电路供电；内部传感元件获取测量导线的直流恒磁场并输出至放大电路；放大电路对直流恒磁场进行放大后输出至双向A/D转换电路；双向A/D转换电路将放大后的直流恒磁场转换为数字信号并输出至处理器；处理器存储直流恒磁场-微电流曲线，根据接收到的数字信号得到微直流的取值；显示电路显示测量导线的微直流的取值。

下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：

上述处理器可包括探头磁阻元件偏置/复位子程序、系统零点校准子程序、AD转换控制及接口子程序、外中断/定时中断响应子程序和显示子程序。

上述直流恒磁场-微电流曲线的建立可包括以下步骤：建立直角坐标系，设测量导线的两点坐标分别为D点坐标(0，0，z1)，C点坐标(0，0，z2)，测量导线L＝z2—z1，设测量导线上的直线电流为电流元，任一电流元Idl，其大小为Idz，到场点P的距离为r，θ为电流元Idl与矢量r之间的夹角，μ₀为真空磁导率，电流元在P点所激发的磁感强度dB的大小为：

求电流元在P点的磁场强度B为：

在z的取值范围为z1到z2，则电流元在P点的磁场强度B为：

又因为z1和z2远大于r0，则电流元在P点的磁场强度B为：

根据当前电流元在P点的磁场强度B，推导出当P点固定时，P点磁场的大小和中心处通过的电流成正比，由此根据电流元在P点的磁场强度B推导得到P点中心处流过的电流，以此建立直流恒磁场-微电流曲线。

本发明通过将待测导线穿过内磁场层的内侧，第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件均对待测导线的微直流电流进行检测，替换原有的待测线路，实现不接触测量，避免了对待测电流电路的干扰，方便简单，无需串联到原有的线路中，因此测量电路的工作状态不影响原待测电路的运行，测量稳定。

附图说明

附图1为本发明实施例一的立体结构示意图。

附图2为本发明实施例二的主视结构示意图。

附图3为本发明实施例四的电路结构示意图。

附图4为本发明实施例四中处理器的电路结构示意图。

附图5为本发明的根据测量导线建立的直角坐标系。

附图6为本发明实施例二中磁阻元件去除外部磁场干扰量的原理示意图。

附图中的编码分别为：1为内部传感元件，11为第一磁阻元件，12为第二磁阻元件，13为第三磁阻元件，2为测量磁场引导层，21为第一测量磁场引导元件，22为第二测量磁场引导元件，23为第三测量磁场引导元件，3为外屏蔽层。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如附图1所示，本发明实施例公开了一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，包括内部传感元件1、测量磁场引导层2和外屏蔽层3，外屏蔽层3呈筒状结构，测量磁场引导层2同轴套装在外屏蔽层3内侧，测量磁场引导层2上设有至少一个缺口，内部传感元件1位于测量磁场引导层2的缺口处置处，内部传感元件1与测量磁场引导层2组合构成圆筒形状。

上述探头外屏蔽层3可采用高导磁材料制作，能有效屏蔽外来磁场的干扰；测量磁场引导层2可采用高导磁低剩磁材料制成，用于收集和约束待测磁场。

实施例二：如附图2所示，本发明实施例公开了一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，其中测量磁场引导层2进一步包括均呈弧形结构的第一测量磁场引导元件21、第二测量磁场引导元件22、第三测量磁场引导元件23，内部传感元件1包括第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13，第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13依次设置在第一测量磁场引导元件21、第二测量磁场引导元件22、第三测量磁场引导元件23两两之间，且处于测量磁场引导层2的同心圆上，第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13之间的夹角为120°。

上述第一磁阻元件11、第二磁阻元件12和第三磁阻元件13均可为现有公知的HMC1001线性磁性传感器，HMC1001线性磁性传感器内部为惠斯通电桥结构，一路桥臂由具有磁阻效应的磁阻传感器组成，磁阻传感器阻值和外部磁场的磁矢量有关，电桥电阻的变化使电压输出产生相应的变化；HMC1001线性磁性传感器的桥式结构容易实现差分输入，其相关性能参数为分辨率85μ高斯(电桥电压5V，带宽10Hz)、灵敏度1mv/V/高斯、电桥阻值800欧姆至1300欧姆，第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13形成的圆环的优选参数为内径小于10mm，高度15mm以上，用于对待测导线的微直流电流对应的磁场强度进行检测并输出。

通过设置第一磁阻元件11、第二磁阻元件12和第三磁阻元件13互成120度环形分布，即第一磁阻元件11、第二磁阻元件12和第三磁阻元件13对磁场的感应方向同样互成120度分布，如附图6所示，图中B、C、D分别为第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13的磁场感应方向,其中,设干扰磁场OA的大小为α，其干扰磁场OA的干扰磁场矢量方向与第三磁阻元件13的磁场感应方向D之间的感应角度大小为θ，可知该干扰磁场矢量方向与第一磁阻元件11的磁场感应方向B之间的感应角度大小为120-θ，该干扰磁场矢量方向与第二磁阻元件12的磁场感应方向C之间的感应角度大小为120+θ，则干扰磁场OA在第二磁阻元件12磁场感应方向C上的感应矢量为A1，干扰磁场OA在第一磁阻元件11磁场感应方向B上的感应矢量为A2，干扰磁场OA在第三磁阻元件13磁场感应方向D上的感应矢量为A3，根据图3所示，A3为ɑ*cosθ，A2为ɑcos(120-θ)，A1为ɑcos(120+θ)，其矢量和为：

由上述可知，第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13互成120度环形分布能够将外部磁场干扰量去除。

使用时，通过将待测导线穿内磁场层的内侧，第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13均对待测导线的微直流电流进行检测，即第一磁阻元件11、第二磁阻元件12、第三磁阻元件13将微直流电流对应的磁场强度进行检测，完成待测导线的微直流电流检测，屏蔽了地磁场和外来磁场的干扰，提高了微直流电流的测量精度。

实施例三：如附图1、2所示，本发明实施例公开了一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，其中内部传感元件1的数量为N，N大于1，内部传感元件1径向对称地均匀分布在测量磁场引导层2的同心圆上，测量磁场引导层2设有N个对应的缺口，内部传感器元件的表面测量磁场引导层2的同心圆相切，测量方向一致。

该基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，不仅限于实施例二中三个内部传感元件1，可使用多个内部传感元件1进行待测导线的微直流电流检测，多个内部传感元件1进行待测导线的微直流电流检测过程与上述实施例二中三个磁阻元件的检测过程相同，此处不再赘述。

实施例四：如附图3所示，本发明实施例公开了一种微直流非接触测量系统，包括基于磁阻效应的微直流非接触检测探头、放大电路、双向A/D转换电路、处理器、显示电路和电源，电源分别为检测探头、放大电路、双向A/D转换电路、处理器和显示电路供电；内部传感元件1获取测量导线的直流恒磁场并输出至放大电路；放大电路对直流恒磁场进行放大后输出至双向A/D转换电路；双向A/D转换电路将放大后的直流恒磁场转换为数字信号并输出至处理器；处理器存储直流恒磁场-微电流曲线，根据接收到的数字信号得到微直流的取值；显示电路显示测量导线的微直流的取值。

上述放大电路采用精密仪用放大器INA128，该放大器内部由3个高精度运放组成，具有极低的偏置电压(50uV)和温度漂移(0.5uV/℃)，放大器高于1010欧姆的输入阻抗有利于改善传感器系统输入阻抗；电路采用正负双电源供电，使系统具备测量正反双向电流功能外，同时为系统通过软件校零提供初始信号；在管脚1和8之间外接电阻RG即能实现1-10000的增益，增益计算式为：

其中G为增益，由此计算得到增益，并输出增益至双向A/D转换电路。

上述双向A/D转换电路采用AD7705模数转换器，通过一个高速串行接口端口输出数据，这个双线串行接口具有一个串行时钟输入和一个串行数据输出，通过外部串行时钟可访问该器件中的串行数据，连接简单，容易实现。

可根据实际需要，对上述微直流非接触测量系统作进一步优化或/和改进：

如附图4所示，处理器包括探头磁阻元件偏置/复位子程序、系统零点校准子程序、AD转换控制及接口子程序、外中断/定时中断响应子程序和显示子程序。

上述探头磁阻元件偏置/复位子程序的工作原理为给内部传感元件1加载双极性电流脉冲，利用脉冲产生的磁场，将内部传感元件1中的铁磁材料的磁化方向翻转到确定性状态，消除地磁场或者其他外部磁场引起的磁化方向漂移，从而在使用过程中提高线性磁性传感器的线性度，内部传感元件1还连接有磁场反馈控制元件，降低噪声水平。

上述系统零点校准子程序用于根据放大器提供的初始信号进行该测量系统的校零。

上述显示子程序用于将处理器中数据输出至显示电路进行显示。

上述AD转换控制及接口子程序用于双向A/D转换电路的控制以及对双线串行接口连接进行控制。

上述外中断/定时中断响应子程序用于根据外部中断/定时中断指令进行响应，并将响应通过显示子程序控制输出至显示电路显示。

如附图5所示，直流恒磁场-微电流曲线的建立包括以下步骤：建立直角坐标系，设测量导线的两点坐标分别为D点坐标(0，0，z1)，C点坐标(0，0，z2)，测量导线L＝z2—z1，设测量导线上的直线电流为电流元，任一电流元Idl，其大小为Idz，到场点P的距离为r，θ为电流元Idl与矢量r之间的夹角，μ₀为真空磁导率，电流元在P点所激发的磁感强度dB的大小为：

求电流元在P点的磁场强度B为：

在z的取值范围为z1到z2，则电流元在P点的磁场强度B为：

又因为z1和z2远大于r0，则电流元在P点的磁场强度B为：

根据当前电流元在P点的磁场强度B，推导出当P点固定时，P点磁场的大小和中心处通过的电流成正比，由此根据电流元在P点的磁场强度B推导得到P点中心处流过的电流，以此建立直流恒磁场-微电流曲线。

本系统在投入使用之前可进行测试，测试方法包括：

1、建立系统输入输出理论直线：具体为使用简单恒压源和精密电阻产生微直流，以测试电流作X轴，放大器输出电压为Y轴建立坐标系，以5mA和50mA的数值作为始点和量程终点，此两点连线建立系统输入输出理论直线(实际测量值与理论值偏差小于0.5％)。

2、根据输入输出对应关系进行系统后期数据处理：具体为输入电流在5mA到50mA范围内随机选取某电流值独立测量3次，记录得到的放大器输出电压Y1，Y2，Y3。以下式表征测量稳定性A％：

随机选取10个点，分别计算A％，数值均小于0.5％。

此测量稳定度数据意义极大，作为数字测量系统，可根据系统输入输出对应关系进行系统后期数据处理，使测量误差控制在0.5％以内。

3、处理器消除磁化方向漂移：具体为处理器中的探头磁阻元件偏置/复位子程序给内部传感元件1加载双极性电流脉冲，利用脉冲产生的磁场，将内部传感元件1中的铁磁材料的磁化方向翻转到确定性状态，消除地磁场或者其他外部磁场引起的磁化方向漂移，从而在使用过程中提高线性磁性传感器的线性度，内部传感元件1还连接有磁场反馈控制元件，降低噪声水平。

本发明所述的微直流非接触测量系统在安装使用时，将新的导线穿过内部传感元件1和测量磁场引导层2形成的圆环内，替换原有的待测线路，实现不接触测量，避免了对待测电流电路的干扰，方便简单，无需串联到原有的线路中，因此测量电路的工作状态不影响原待测电路的运行，测量稳定，可满足5mA以上微直流的非接触测量需要。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (6)

1.一种基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，其特征在于包括内部传感元件、测量磁场引导层和外屏蔽层，外屏蔽层呈筒状结构，测量磁场引导层同轴套装在外屏蔽层内侧，测量磁场引导层上设有至少一个缺口，内部传感元件位于测量磁场引导层的缺口处置处，内部传感元件与测量磁场引导层组合构成圆筒形状。

2.根据权利要求1所述的基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，其特征在于测量磁场引导层包括均呈弧形结构的第一测量磁场引导元件、第二测量磁场引导元件、第三测量磁场引导元件，内部传感元件包括第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件，第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件依次设置在第一测量磁场引导元件、第二测量磁场引导元件、第三测量磁场引导元件两两之间，且处于测量磁场引导层的同心圆上，第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件之间的夹角为120°。

3.根据权利要求1所述的基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，其特征在于内部传感元件的数量为N，N大于1，内部传感元件径向对称地均匀分布在测量磁场引导层的同心圆上，测量磁场引导层设有N个对应的缺口，内部传感器元件的表面测量磁场引导层的同心圆相切，测量方向一致。

4.一种微直流非接触测量系统，其特征在于包括放大电路、双向A/D转换电路、处理器、显示电路、电源、如权利要求1至3中任意一项所述的基于磁阻效应的微直流非接触检测探头，电源分别为检测探头、放大电路、双向A/D转换电路、处理器和显示电路供电；内部传感元件获取测量导线的直流恒磁场并输出至放大电路；放大电路对直流恒磁场进行放大后输出至双向A/D转换电路；双向A/D转换电路将放大后的直流恒磁场转换为数字信号并输出至处理器；处理器存储直流恒磁场-微电流曲线，根据接收到的数字信号得到微直流的取值；显示电路显示测量导线的微直流的取值。

5.根据权利要求4所述的微直流非接触测量系统，其特征在于处理器包括探头磁阻元件偏置/复位子程序、系统零点校准子程序、AD转换控制及接口子程序、外中断/定时中断响应子程序和显示子程序。

6.根据权利要求4所述的微直流非接触测量系统，其特征在于直流恒磁场-微电流曲线的建立包括以下步骤：建立直角坐标系，设测量导线的两点坐标分别为D点坐标(0，0，z1)，C点坐标(0，0，z2)，测量导线L＝z2—z1，设测量导线上的直线电流为电流元，任一电流元Idl，其大小为Idz，到场点P的距离为r，θ为电流元Idl与矢量r之间的夹角，μ₀为真空磁导率，电流元在P点所激发的磁感强度dB的大小为：

求电流元在P点的磁场强度B为：

在z的取值范围为z1到z2，则电流元在P点的磁场强度B为：

又因为z1和z2远大于r0，则电流元在P点的磁场强度B为：

根据当前电流元在P点的磁场强度B，推导出当P点固定时，P点磁场的大小和中心处通过的电流成正比，由此根据电流元在P点的磁场强度B推导得到P点中心处流过的电流，以此建立直流恒磁场-微电流曲线。

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