CN113325228B - 一种基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置及方法，包括TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块以及微控制器；TMR磁阻芯片阵列包括三个TMR磁阻芯片，AMR磁阻芯片阵列包括三个AMR磁阻芯片，TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列测量载流导体周围磁场，输出电压信号，电压信号经信号处理电路模块处理后输入微控制器，微控制器计算得到待测载流导体的电流值。本发明基于磁阻效应原理制作一款具有导线定位功能，且位于导线单侧即可进行导线电流值非接触测量的高灵敏度电流测量装置，使用场景众多，可配备伸缩杆探测远处的电线电流，也可进行固定安装，用于输电线路电流监测，或是搭载于无人机或机器人上进行电路巡检测试等。

Description

一种基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置及方法

技术领域

本发明属于电气技术、电网电流测量科学领域，涉及了一种含各向异性磁阻传感器阵列和隧穿磁阻传感器阵列的非接触式电流测量装置及方法。

背景技术

智能电网的实时监测一直依赖着先进的测量手段和传感技术，在建设电网的智能化新时代中，为了革新传统技术的缺陷，电路检测设备的研制需满足高效方便，小型安全等要求。目前对于输电线路的电流检测一般采用接触式以及非接触式的测量方式，国内电网中大多数在使用的电流互感器是依据电磁感应原理，这种装置一是需要人工去实地现场绕组型的接触型检测测量，由于与大型输电设备相连，工作过程具有较低的危险性和潜在的安全问题，第二从功能上而言所测得的信息种类有所局限，无法满足日益严格的检测要求。传统型接触式测量装置需要与待测线路进行电气连接，这样不仅改变了线路结构，还会徒增输电线路的运行安全风险，目前的非接触式测量设备由于精度不够易被干扰也存在一定缺陷，因此智能电网的实际趋势是开发具有更高精度的非接触式电流测量传感器。

非接触性磁阻传感器是由光学、电子通信、微电子科学和材料学等多学科交叉的领域，磁阻效应是指金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象，电阻随外加磁场变化，传感器通过惠斯通电桥将电压信号输出，分析电压信号可以得到待测电流的磁场值，再通过公式转化为电流值。近年来，基于各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)以及隧道磁阻TMR效应衍生出众多的电流测量传感器。为实现精确和低成本的电流测量，现有的方案主要是利用传感器阵列来实现磁场传感器对于导线的定位，一般而言传感器数量越多，补偿效果越好，测量的精度也越高，但相关的成本也越高。

目前基于磁阻传感模块的此类电流监测装置缺点在于，一方面还是无法摆脱将载流导体置于装置中间的设计，因此安装便利性尚有提升空间，一方面在使用阵列法测量时，追求精度就需要使用数量较多的单轴或多轴磁阻传感器，追求低成本时数量较少的传感器则存在定位不准确，受空间排布误差影响大的问题，难以达成精度与成本之间的折衷。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置及方法，本发明基于磁阻效应原理制作一款具有导线定位功能，且位于导线单侧即可进行导线电流值非接触测量的高灵敏度电流测量装置，使用场景众多，可配备伸缩杆探测远处的电线电流，也可进行固定安装，用于输电线路电流监测，或是搭载于无人机或机器人上进行电路巡检测试等。

本发明的技术方案是：一种基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置，包括TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块以及微控制器；

所述TMR磁阻芯片阵列包括三个TMR磁阻芯片，三个TMR磁阻芯片分别为TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃；三个TMR芯片处于同一平面内且呈直线型阵列布置，TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃处于同一竖直线上，该竖直线与TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃的敏感轴垂直，相邻两个TMR芯片之间的距离相等；TMR磁阻芯片阵列所在直线与待测载流导体平行；

所述AMR磁阻芯片阵列包括三个AMR磁阻芯片，三个AMR磁阻芯片分别为AMR芯片H₁、AMR芯片H₂和AMR芯片H₃；三个AMR芯片处于同一平面内且呈三角形型阵列布置，AMR芯片H₁与TMR芯片S₁在同一水平线上、且AMR芯片H₁位于TMR芯片S₁左侧位置，AMR芯片H₃与TMR芯片S₂在同一水平线上、且AMR芯片H₃位于TMR芯片S₂右侧位置，AMR芯片H₂与TMR芯片S₃在同一水平线上、且AMR芯片H₂位于TMR芯片S₃左侧位置，AMR芯片H₁与AMR芯片H₂在同一竖直线、且该竖直线与TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃所处竖直线平行；

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列测量载流导体周围磁场，输出电压信号，电压信号经所述信号处理电路模块处理后输入微控制器，微控制器计算得到待测载流导体的电流值。

上述方案中，所述TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块以及微控制器安装在壳体上。

上述方案中，还包括无线通信模块；所述微控制器通过无线通信模块将被测载流导体的电流值发送到接收设备。

上述方案中，还包括电源模块；所述电源模块分别与TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块以及微控制器连接。

上述方案中，所述信号处理电路包括放大电路、AD采集芯片、FPGA模块和串口电路。

一种根据所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置的测量方法，包括以下步骤：

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列的传感器平面与待测载流导体平行，在传感器平面上记S1传感器所在的位置点为S₁点，记S2传感器所在的位置点为S₂点，记S3传感器所在的位置点为S₃点，H1传感器与S1传感器，H2传感器与S3传感器，H3传感器与S2传感器之间的距离均为a，载流导体中心向传感器平面引垂线得到的点为O点，载流导体与理想位置的横向偏差距离为h，所述理想位置为载流导体与TMR磁阻芯片阵列所在直线平行、且位于TMR磁阻芯片阵列的正前方，载流导体与传感器平面之间的距离为d，载流导体中心到AMR芯片H₁的垂直距离为r₁，载流导体中心到AMR芯片H₂的垂直距离为r₂，载流导体中心到H₃的垂直距离为r₃；

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列测量载流导体周围磁场，输出电压信号，电压信号经所述信号处理电路模块处理后输入微控制器，微控制器计算得到待测载流导体的电流值。

上述方案中，所述载流导体的电流通过以下过程运算求解：

为补偿安装时的倾斜误差，将传感器分成由AMR芯片H₁、AMR芯片H₂、TMR芯片S₁、TMR芯片S₂组成的上阵列，以及由模块AMR芯片H₃、AMR芯片H₂、TMR芯片S₂、TMR芯片S₃组成的下阵列，I₁是所述上阵列中的传感器数值计算方程组一得到的参考电流值，I₂是由联立所述下阵列的传感器数值计算方程组二得到的参考电流值；

将AMR芯片H₁和AMR芯片H₃的输出值代入以下方程组一求得h₁,d₁：

将AMR芯片H₂和AMR芯片H₃的输出值代入以下方程组二求得h₂、d₂：

式中，AMR阵列中的AMR芯片H₁、AMR芯片H₂和AMR芯片H₃测得的磁场值根据敏感轴X、Y的方向分别为B_XH1、B_YH1、B_XH2、B_YH2、B_XH3、B_YH3，在过AMR芯片H₁与TMR芯片S₁所在直线且与传感器阵列平面垂直的平面上，记H₃在AMR芯片H₁与TMR芯片S₁所在直线上的投影点为H₃₁,载流导体中心向AMR芯片H₁与TMR芯片S₁所在直线引垂线后的交点为O₁，且所引垂直线段与传感器阵列平面垂直，在过AMR芯片H₂与TMR芯片S₃所在的直线且与传感器阵列平面垂直的平面上，记H₃在AMR芯片H₂与TMR芯片S₃所在直线上的投影点为H₃₂，载流导体中心向AMR芯片H₂与TMR芯片S₂所在直线引垂线后的交点为O₂，且所引垂直线段与传感器阵列平面垂直，θ角为点A₁,O₁之间连线与A₁，H₁之间连线的夹角，γ角为点A₁，O₁之间连线与A₁，H₃₁之间连线的夹角，θ₂角为点A₂,O₂之间连线与A，H₃₂之间连线的夹角，γ₂角为点A₂，O₂之间连线与A₂，H₃₂之间连线的夹角；通过求解以上方程组，得到h₁、h₂、d₁、d₂，h1为根据上阵列求得的载流导体相对理想位置的水平偏差值，h2为根据下阵列求得的载流导体相对理想位置的水平偏差值，d1为根据上阵列求得的载流导体与传感器阵列平面之间的距离，d2为根据下阵列求得的载流导体与传感器阵列平面之间的距离，安装时载流导体若有倾斜，则h₁与h₂，d₁与d₂不相等，其中磁导率μ₀＝4π×10^-7，

然后将载流导体位置信息h₁、h₂、d₁、d₂代入以下方程求解待测电流I：

式中，B_S1,B_S2,B_S3分别为TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃测得的磁场值，通过两组方程求出根据上阵列数值求解得到的电流值

和

以及根据下阵列数值求解得到的电流值

和

共4个检测值，求其均值即可得到测得的电流值I。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于磁阻效应原理提供了一种新型磁阻模块阵列传感器及方法，相比传统的接触式电流监测设备，本装置基于磁阻效应探测电流磁场，测量方式为非接触式，可不与电线接触探测其电流。相比于目前该领域大部分学者在研究的环绕式磁阻阵列传感器，本装置的测量方式不需要将电线穿过装置，仅需将装置置于导线的一侧即可完成测量，更加安全，安装也更加简单。目前较多学者研究的阵列式传感器，在传感器使用选择上大多为所有磁阻传感器皆使用单轴磁阻传感器，或是皆选择使用多轴传感器，其中敏感轴越多价格越贵，而本装置所使用的根据所处位置进行传感器组合分工的理念，即单轴传感器提供测量输出值，双轴传感器提供电线位置信息，不仅做到了传感器有效信息提取的效率最大化，还节约了不必要的成本。相比于目前一些复杂的精确定位法，本装置定位安装时采用竖直安装，相当于进行了可行的初步校准，本装置基于此点所使用的定位算法，大大减少了MCU的计算量，简化了定位步骤，且同时也为安装误差设计了补偿。

附图说明

图1为电气结构与信号传输流程示意图；

图2为电路板模块分布结构示意图；

图3为传感器阵列工作位置主视图及俯视图；

图4为载流导体位置偏移俯视图；

图5为载流导体位置偏移仰视图；

图6为水平放置情境装置安装示意图；

图7为竖直放置情境装置安装示意图；

图8为实施例装置放置位置示意图。

其中，1、单轴TMR传感器，2、双轴AMR传感器，3、信号处理电路模块，4、电源接口，5、载流导体，6、壳体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1、2、3所示为本发明所述基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置的一种较佳实施方式，所述基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置为一款含双轴各向异性磁阻传感器和单轴隧道磁阻传感器的电流传感器装置，包括TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块3、无线通信模块、电源模块以及微控制器。

所述TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块3以及微控制器安装在壳体6上。所述微控制器通过无线通信模块将被测载流导体5的电流值发送到接收设备。所述电源模块分别与TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块3以及微控制器连接。

所述TMR磁阻芯片阵列包括三个TMR磁阻芯片1，三个TMR磁阻芯片1分别为TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃；三个TMR芯片处于同一平面内且呈直线型阵列布置，TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃处于同一竖直线上，该竖直线与TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃的敏感轴垂直，相邻两个TMR芯片之间的距离相等；TMR磁阻芯片阵列所在直线与待测载流导体5平行。

所述AMR磁阻芯片阵列包括三个AMR磁阻芯片2，三个AMR磁阻芯片2分别为AMR芯片H₁、AMR芯片H₂和AMR芯片H₃；三个AMR芯片处于同一平面内且呈三角形型阵列布置，AMR芯片H₁与TMR芯片S₁在同一水平线上、且AMR芯片H₁位于TMR芯片S₁左侧位置，AMR芯片H₃与TMR芯片S₂在同一水平线上、且AMR芯片H₃位于TMR芯片S₂右侧位置，AMR芯片H₂与TMR芯片S₃在同一水平线上、且AMR芯片H₂位于TMR芯片S₃左侧位置，AMR芯片H₁与AMR芯片H₂在同一竖直线、且该竖直线与TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃所处竖直线平行。

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列测量载流导体5周围磁场，输出电压信号，电压信号经所述信号处理电路模块3处理后输入微控制器，微控制器计算得到待测载流导体5的电流值。

所述信号处理电路包括放大电路、AD采集芯片、FPGA模块和串口电路。由于磁阻芯片个数为六个，其中含三个双轴和三个单轴，因此磁阻传感器阵列输出端共输出18路差分信号，经过仪表放大器差分放大后将18路差分信号转换为9路单端信号输出，后经AD采样后输出电压信号给微控制器，微控制器接收并根据电压值得到待测电流的电流值。

根据本实施例，优选的，其中，所述AMR阵列及TMR阵列，一组由三个单轴TMR模块组成的隧穿磁阻效应传感器阵列，如图2所示位于组合阵列中心，为一竖排，相邻两个模块的间距相等，为4cm，敏感轴为图示X轴。一组由三个双轴AMR模块组成的各向异性磁阻传感器阵列，如图2所示排列于边缘，三个传感器距离TMR阵列所在直线的垂直距离皆为5cm，左边两个模块的竖直距离为8cm，敏感轴为图示X轴和Y轴。

在测量时待测量的载流导体5位于如图3所示位置，载流导体5为电线，放置位置时尽可能使传感器阵列平面与电线平行，且TMR磁阻芯片阵列平面与载流导体5平面平行，且TMR磁阻芯片阵列位于载流导体5正前方，TMR磁阻芯片阵列测得的磁场值分别为B_S1,B_S2,B_S3，AMR磁阻芯片阵列测得的磁场值根据敏感轴X、Y的方向分别为B_XH1、B_YH1，B_XH2、B_YH2，B_XH3、B_YH3。

一种根据所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置的测量方法，包括以下步骤：

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列的传感器平面与待测载流导体5平行，在传感器平面上记S1传感器所在的位置点为S₁点，记S2传感器所在的位置点为S₂点，记S3传感器所在的位置点为S₃点，AMR芯片H₁与TMR芯片S₁，AMR芯片H₂与TMR芯片S₃，AMR芯片H₃与TMR芯片S₂之间的距离均为a，在本实施例中a＝5cm，载流导体5中心向传感器平面引垂线得到的点为O点，载流导体5与理想位置的横向偏差距离为h，所述理想位置为载流导体5与TMR磁阻芯片阵列所在直线平行、且位于TMR磁阻芯片阵列的正前方，载流导体5与传感器平面之间的距离为d，载流导体5中心到AMR芯片H₁的垂直距离为r₁，载流导体5中心到AMR芯片H₂的垂直距离为r₂，载流导体5中心到H₃的垂直距离为r₃；

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列测量载流导体5周围磁场，输出电压信号，电压信号经所述信号处理电路模块3处理后输入微控制器，微控制器计算得到待测载流导体5的电流值。

本发明通过TMR磁阻芯片阵列测量待测电流的大小，用AMR磁阻芯片阵列辅助定位待测载流导体5的位置，将位置信息提供给微控制器MCU，然后对TMR磁阻芯片阵列测得的值进行运算得到电流值，待测载流导体5的电流通过以下过程运算求解：

为补偿安装时的倾斜误差，将传感器分成由模块H₁,H₂,S₁,S₂组成的上阵列，以及由模块H₃,H₂,S₂,S₃组成的下阵列，计算公式基于划分后的上下两组阵列分别联立，I₁是由联立所述上阵列中的传感器数值计算方程组一得到的参考电流值，I₂是由联立所述下阵列的传感器数值计算方程组二得到的参考电流值；

将AMR芯片H₁和AMR芯片H₃的输出值代入以下方程组一求得h₁,d₁：

将AMR芯片H₂和AMR芯片H₃的输出值代入以下方程组二求得h₂,d₂：

式中，AMR阵列中的三个双轴模块测得的磁场值根据敏感轴X、Y的方向分别为B_XH1、B_YH1，B_XH2、B_YH2，B_XH3、B_YH3，如图4所示，从俯视的角度，记H₃在H₁S₁所在直线上的投影点为H₃₁,载流导体中心向H₁S₁所在直线引垂线后的交点为O₁，且所引垂直线段与传感器阵列平面垂直。如图5所示，从仰视的角度，记H₃在H₂S₃所在直线上的投影点为H₃₂，载流导体中心向H₂S₂所在直线引垂线后的交点为O₂，且所引垂直线段与传感器阵列平面垂直。θ角为点A₁,O₁之间连线与A₁，H₁之间连线的夹角，γ角为点A₁，O₁之间连线与A₁，H₃₁之间连线的夹角，θ₂角为点A₂,O₂之间连线与A，H₃₂之间连线的夹角，γ₂角为点A₂，O₂之间连线与A₂，H₃₂之间连线的夹角；在此方程组中，由于AMR传感器不能保证较高的精度，因此I₁，I₂为AMR阵列的参考电流值，仅为该体系提供载流导体位置信息，与之后的电流计算以及最终输出值无关。通过求解以上方程组，得到h₁、h₂、d₁、d₂，h1为根据上阵列所在体系求得的载流导体5相对理想位置的水平偏差值，h2为根据下阵列所在体系求得的载流导体5相对理想位置的水平偏差值，d1为根据上阵列所在体系求得的载流导体5与传感器阵列平面之间的距离，d2为根据下阵列所在体系求得的载流导体5与传感器阵列平面之间的距离，安装时载流导体5若有倾斜，则h₁与h₂，d₁与d₂不相等，其中磁导率μ₀＝4π×10^-7，

然后将载流导体5位置信息h₁、h₂、d₁、d₂代入以下方程求解待测电流I：

式中B_S1,B_S2,B_S3分别为TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃测得的磁场值，通过两组方程求出2组数据分别求得根据上阵列数值求解得到的电流值

以及根据下阵列数值求解得到的电流值

共4个检测值，求其均值即可得到测得的电流值I，此方法可有效的消除定位误差和对倾斜误差进行补偿。

图6为水平放置型应用场景，图7为竖直悬挂放置型应用场景。在本实施例中，应用场景为水平放置型，放置位置示意图如图8所示。本发明适用于智能电网保护系统的非接触式电流测量装置，包括两组磁阻效应传感器阵列，一组由三个单轴TMR模块组成，敏感轴为图3所示X轴，一组由三个双轴AMR模块组成，敏感轴为图3所示X，Y轴。除两组传感器阵列外，本装置还包括信号处理电路﹑微控制器、通信模块以及电源，传感器芯片阵列安装时位于被测载流导体5前一定距离的空间内，芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控制器的输出端为通信模块，与信号接收设备的输入端连接，能够实现对输电线路中的导体电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。

本实施例中，所述TMR磁阻芯片阵列包括三个TMR芯片:TMR芯片S₁、TMR芯片S₂以及TMR芯片S₃，如图3所示，三个TMR芯片处于同一平面内且呈直线型阵列布置，方向及敏感轴一致，相邻两个芯片之间的距离相等，为4cm。所述AMR磁阻芯片阵列包括三个AMR芯片:AMR芯片H₁、AMR芯片H₂以及AMR芯片H₃，三个AMR芯片处于同一平面内且呈三角形型阵列布置，AMR芯片H₁与TMR芯片S₁平行，位于其左侧5cm位置，AMR芯片H₃与TMR芯片S₂平行，位于其右侧5cm位置，AMR芯片H₂与TMR芯片S₃平行，位于其左侧5cm位置。如图8所示，在本实例中，装置的磁阻芯片阵列平面与被测电线的相对位置距离为3cm，TMR阵列所在直线与待测电线平行，竖直偏心距离为1cm，TMR阵列测得的磁场值为B_S1,B_S2,B_S3，AMR阵列中的三个双轴模块测得的磁场值根据敏感轴X、Y的方向分别为B_XH1、B_YH1，B_XH2、B_YH2，B_XH3、B_YH3。芯片阵列测量载流导体周围磁场，输出电压信号，电压信号经信号处理电路输入微控制器。

根据AMR、TMR芯片输出特性得到相应的磁场值，

通过微控制器计算定位待测载流导体位置，定位算法及方程为：

d₁＝r₁ cosθ＝r₃ cosγd₂＝r₂ cosθ₂＝r₃ cosγ₂

r₁ sinθ+r₃ sinγ＝10r₂ sinθ₂+r₃ sinγ₂＝10

h₁＝|5-r₁ sinθ|h₂＝|5-r₂ sinθ₂|

基于上述方程及所得磁场信号，计算出阵列平面与被测导体的位置关系，h₁＝1cm，h₂＝1cm,d₁＝3cm,d₂＝3cm，将TMR阵列的输出值代入以下方程求解待测电流I：

计算得I＝100A,由微控制器最终处理得到精确的被测导体电流值，通过无线通信模块发送到接收设备上显示。本实施例中，所述信号处理电路包括差分信号转换电路以及偏置处理电路，所述差分信号转换电路，其输入端与磁阻芯片的输出端连接，用于将芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出，所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内。

本实施例中，还包括供电模块，其包括蓄电池以及电压转换电路，所述蓄电池的输出端与电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路将蓄电池输出的直流电分别转换成12V、1.2V以及3.3V直流电，12V直流电向差分信号转换电路和偏置处理电路供电，1.2V直流电向AMR及TMR芯片供电，3.3V直流电向微控制器供电。

本实施例中，还包括用于安装信号处理电路、微控制器的壳体6，所述壳体6采用高导磁材料制成，壳体6底部有为方便安装制成的形状及螺纹孔，磁阻芯片阵列固定设置于该壳体6顶部外。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置，其特征在于，包括TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块(3)以及微控制器；

所述TMR磁阻芯片阵列包括三个TMR磁阻芯片(1)，三个TMR磁阻芯片(1)分别为TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃；三个TMR芯片处于同一平面内且呈直线型阵列布置，TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃处于同一竖直线上，该竖直线与TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃的敏感轴垂直，相邻两个TMR芯片之间的距离相等；TMR磁阻芯片阵列所在直线与待测载流导体(5)平行；

所述AMR磁阻芯片阵列包括三个AMR磁阻芯片(2)，三个AMR磁阻芯片(2)分别为AMR芯片H₁、AMR芯片H₂和AMR芯片H₃；三个AMR芯片处于同一平面内且呈三角形型阵列布置，AMR芯片H₁与TMR芯片S₁在同一水平线上、且AMR芯片H₁位于TMR芯片S₁左侧位置，AMR芯片H₃与TMR芯片S₂在同一水平线上、且AMR芯片H₃位于TMR芯片S₂右侧位置，AMR芯片H₂与TMR芯片S₃在同一水平线上、且AMR芯片H₂位于TMR芯片S₃左侧位置，AMR芯片H₁与AMR芯片H₂在同一竖直线、且该竖直线与TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃所处竖直线平行，AMR芯片H₁与TMR芯片S₁，AMR芯片H₂与TMR芯片S₃，AMR芯片H₃与TMR芯片S₂之间的距离相等；

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列测量载流导体(5)周围磁场，输出电压信号，电压信号经所述信号处理电路模块(3)处理后输入微控制器，微控制器计算得到待测载流导体(5)的电流值。

2.根据权利要求1所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置，其特征在于，所述TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块(3)以及微控制器安装在壳体(6)上。

3.根据权利要求1所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置，其特征在于，还包括无线通信模块；所述微控制器通过无线通信模块将被测载流导体(5)的电流值发送到接收设备。

4.根据权利要求1所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置，其特征在于，还包括电源模块；所述电源模块分别与TMR磁阻芯片阵列、AMR磁阻芯片阵列、信号处理电路模块(3)以及微控制器连接。

5.根据权利要求1所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置，其特征在于，所述信号处理电路包括放大电路、AD采集芯片、FPGA模块和串口电路。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列的传感器平面与待测载流导体(5)平行，在传感器平面上记TMR芯片S₁所在的位置点为S₁点，记TMR芯片S₂所在的位置点为S₂点，记TMR芯片S₃所在的位置点为S₃点，AMR芯片H₁与TMR芯片S₁，AMR芯片H₂与TMR芯片S₃，AMR芯片H₃与TMR芯片S₂之间的距离均为a，载流导体(5)中心向传感器平面引垂线得到的点为O点，载流导体(5)与理想位置的横向偏差距离为h，所述理想位置为载流导体(5)与TMR磁阻芯片阵列所在直线平行、且位于TMR磁阻芯片阵列的正前方，载流导体(5)与传感器平面之间的距离为d，载流导体(5)中心到AMR芯片H₁的垂直距离为r₁，载流导体(5)中心到AMR芯片H₂的垂直距离为r₂，载流导体(5)中心到H₃的垂直距离为r₃；

所述TMR磁阻芯片阵列和AMR磁阻芯片阵列测量载流导体(5)周围磁场，输出电压信号，电压信号经所述信号处理电路模块(3)处理后输入微控制器，微控制器计算得到待测载流导体(5)的电流值。

7.根据权利要求6所述的基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置的测量方法，其特征在于，所述载流导体(5)的电流通过以下过程运算求解：

为补偿安装时的倾斜误差，将传感器分成由AMR芯片H₁、AMR芯片H₂、TMR芯片S₁、TMR芯片S₂组成的上阵列，以及由模块AMR芯片H₃、AMR芯片H₂、TMR芯片S₂、TMR芯片S₃组成的下阵列，I₁是所述上阵列中的传感器数值计算方程组一得到的参考电流值，I₂是由联立所述下阵列的传感器数值计算方程组二得到的参考电流值；

将AMR芯片H₁和AMR芯片H₃的输出值代入以下方程组一求得h₁,d₁：

将AMR芯片H₂和AMR芯片H₃的输出值代入以下方程组二求得h₂、d₂：

式中，AMR阵列中的AMR芯片H₁、AMR芯片H₂和AMR芯片H₃测得的磁场值根据敏感轴X、Y的方向分别为B_XH1、B_YH1、B_XH2、B_YH2、B_XH3、B_YH3，在过AMR芯片H₁与TMR芯片S₁所在直线且与传感器阵列平面垂直的平面上，记H₃在AMR芯片H₁与TMR芯片S₁所在直线上的投影点为H₃₁,载流导体(5)中心向AMR芯片H₁与TMR芯片S₁所在直线引垂线后的交点为O₁，且所引垂直线段与传感器阵列平面垂直，在过AMR芯片H₂与TMR芯片S₃所在的直线且与传感器阵列平面垂直的平面上，记H₃在AMR芯片H₂与TMR芯片S₃所在直线上的投影点为H₃₂，载流导体(5)中心向AMR芯片H₂与TMR芯片S₂所在直线引垂线后的交点为O₂，且所引垂直线段与传感器阵列平面垂直，θ角为点A₁,O₁之间连线与A₁，H₁之间连线的夹角，γ角为点A₁，O₁之间连线与A₁，H₃₁之间连线的夹角，θ₂角为点A₂,O₂之间连线与A，H₃₂之间连线的夹角，γ₂角为点A₂，O₂之间连线与A₂，H₃₂之间连线的夹角；通过求解以上方程组，得到h₁、h₂、d₁、d₂，h1为根据上阵列求得的载流导体(5)相对理想位置的水平偏差值，h2为根据下阵列求得的载流导体(5)相对理想位置的水平偏差值，d1为根据上阵列求得的载流导体(5)与传感器阵列平面之间的距离，d2为根据下阵列求得的载流导体(5)与传感器阵列平面之间的距离，安装时载流导体(5)若有倾斜，则h₁与h₂，d₁与d₂不相等，其中磁导率μ₀＝4π×10^-7，

然后将载流导体(5)位置信息h₁、h₂、d₁、d₂代入以下方程求解待测电流I：

式中，B_S1,B_S2,B_S3分别为TMR芯片S₁、TMR芯片S₂和TMR芯片S₃测得的磁场值，通过两组方程求出根据上阵列数值求解得到的电流值

和

以及根据下阵列数值求解得到的电流值

和

共4个检测值，求其均值即可得到测得的电流值I。

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