CN113325343A - 一种单轴隧道磁阻电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单轴隧道磁阻电流测量方法，涉及电气技术领域。该测量方法包括排列出非均匀分布的圆形隧道磁阻传感器阵列、基于高斯型数值积分公式的积分节点确定每个隧道磁阻传感器在圆形路径上的位置及敏感轴方向，并将该阵列对应的圆形路径作为闭合的磁感应强度积分路径，基于高斯型数值积分公式以及各积分节点所对应的隧道磁阻传感器测量数据，计算积分路径对应的数值积分值，作为圆形路径上磁感应强度的线积分值，进而求得待测电流大小。通过本发明的电流测量方法具备屏蔽阵列外部干扰磁场的性能，适合应用在电磁环境复杂的场景。

Description

一种单轴隧道磁阻电流测量方法

技术领域

本发明属于电气技术领域，涉及一种单轴隧道磁阻电流测量方法。

背景技术

智能电网的建设，需要实时的对电力系统的电流参数进行监测。电力系统不同场景下监测电流的幅值、频率范围以及精度要求都各不相同。传统的罗氏线圈和新型的光纤式电流传感器等都有一定的局限性。如罗氏线圈在对信号处理的过程中需要经过积分环节，长期使用过程中造成的积分器电容泄露会出现基线漂移的问题；光纤式电流传感器的稳定性及制造成本使其大规模应用存在困难。

目前，将若干个磁传感器布置在待测导体的周围构成磁传感器阵列，通过测得各个点的磁场值来计算待测的电流值是一种新兴的电流测量方式。磁传感器阵列属于一种新型的开环非侵入式线性电流传感器，其在非侵入式大电流测量领域有着良好的应用前景，具有灵敏度高、测量范围广、体积小、交直流均可测、成本低等优点。

因此，基于磁传感器阵列设计高精度的电流测量方法已经成为研究的热点问题，既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法。如文献《平行导线磁场对点阵式霍尔电流传感器测量准确度的影响分析》(许进宝，戚连锁，庄劲武，李思光，[J].船电技术，2013，33(06)：47-50)，发明专利说明书《多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置》(CN107328980B)等。

在文献《平行导线磁场对点阵式霍尔电流传感器测量准确度的影响分析》中，建立了点阵式霍尔电流传感器模型，将霍尔元件沿圆周均匀等间距排布，待测电流处于圆心处，将阵列上的霍尔元件输出信号累加求和之后求平均值作为待测电流值，属于梯形数值积分算法。但是这种点阵式霍尔电流传感器模型还存在以下不足：

1、霍尔元件的带宽在1MHz以下，无法满足对高频电流的测量。

2、待测电流偏离圆心会产生比较大的测量误差。

在发明专利说明书《多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置》中，采用磁阻传感器测量多芯导线周围磁场的切向分量与径向分量，通过毕奥萨伐尔定律对所得磁场的切向分量与径向分量进行分析，得到多芯电缆内导线的位置坐标与相应坐标对应导线所承载的电流值，实现了对多芯电缆周围磁场的检测与所带电流的非侵入式测量。

但是该测量方法还存在以下不足：该方法基于毕奥萨伐尔定律，而基于毕奥萨伐尔定律的测量方法无法对干扰磁场进行有效的抑制，在电磁环境复杂的情况下，测量会存在很大的测量误差。

综上所述，申请人考虑基于圆形隧道磁阻传感器阵列设计一种在有干扰磁场且待测量电流偏离圆形隧道磁阻传感器阵列圆心的情况下仍然能够对电流进行精确测量的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道磁阻电流测量方法，以降低外部干扰磁场以及待测量电流偏离传感器阵列圆心对电流测量精度的影响，提高测量的准确性。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种单轴隧道磁阻电流测量方法，应用于电流测量，本测量方法涉及的装置包括一个PCB板，在PCB板的中部设有中心孔，所述中心孔用于待测载流导体穿过；

所述PCB板上非均匀布设多个隧道磁阻传感器，所述测量方法通过确定多个隧道磁阻传感器在PCB板上的安装位置，完成圆形隧道磁阻传感器阵列的安装，并进行待测导体电流的测量，包括以下步骤：

步骤1，设定在PCB板上以中心孔的圆心O为圆心、以R为半径作一个圆Z，然后将n个隧道磁阻传感器布设安装在圆Z的圆周上，组成一个圆形隧道磁阻传感器阵列E；将该圆形隧道磁阻传感器阵列E中的任意一个隧道磁阻传感器记为隧道磁阻传感器k，k＝1，2...n，n为正整数，3≤n≤8；

步骤2，将圆形隧道磁阻传感器阵列E对应的圆形路径作为闭合的磁感应强度积分路径，并按照高斯-勒让德积分方法确定每个隧道磁阻传感器在圆形路径上的位置及隧道磁阻传感器的敏感轴位置，具体做法如下：

以圆心O为坐标原点建立直角坐标系，并将隧道磁阻传感器k的安装位置简化为安装点Pk，k＝1，2...n；

从安装点P_k向圆心O做直线L1，并将直线L1与X轴正方向的夹角的弧度记为隧道磁阻传感器k的传感器弧度θ_k，k＝1，2...n；

设定隧道磁阻传感器k的敏感轴的方向为逆时针方向，以安装点P_k为端点向X轴正方向作一与X轴平行或重合的射线L2、以安装点P_k为端点沿隧道磁阻传感器k的敏感轴方向作一射线L3，并将射线L3与射线L2所成夹角的弧度记为隧道磁阻传感器k的敏感轴弧度γ_k，k＝1，2...n；

传感器弧度θ_k和敏感轴弧度γ_k的表达式分别如下：

θ_k＝(t_k+1)π

γ_k＝(t_k+1.5)π

式中，t_k为求积节点，k＝1，2...n，其具体数值通过高斯-勒让德积分公式的求积节点与求积系数表查取得到；

隧道磁阻传感器k的安装点P_k的X轴坐标为R cosθ_k、Y轴坐标为R sinθ_k，k＝1，2...n；

步骤3，将n个隧道磁阻传感器按照步骤2得到的数据进行安装，在PCB板上组成圆形隧道磁阻传感器阵列E；

步骤4，设定测量时待测载流导体穿过PCB板中心孔的圆心O，且与圆形隧道磁阻传感器阵列E所在平面垂直，基于安培环路定理建立待测电流值I与圆形隧道磁阻传感器阵列E之间的高斯-勒让德求积方程，表达式如下：

其中，

A_k为求积系数，k＝1，2...n，具体数值通过高斯-勒让德积分公式的求积节点与求积系数表查取得到；μ为真空磁导率；

为隧道磁阻传感器k处的磁场矢量；

为单位矢量，

将隧道磁阻传感器k处的磁场矢量

在单位矢量

方向上的投影值记为B_k，

设定隧道磁阻传感器k的敏感轴方向与单位矢量

的方向保持一致，B_k即为隧道磁阻传感器k测得的磁场值；

步骤5，将待测载流导体穿过PCB板中心孔的圆心O，且与圆形隧道磁阻传感器阵列E所在平面垂直，实施测量得到n个磁场值B_k，对该n个磁场值B_k按照下式进行计算获得待测电流值I，

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、应用的高斯-勒让德数值积分方法具备屏蔽圆形隧道磁阻传感器阵列外部干扰磁场的性能，即圆形隧道磁阻传感器阵列外部的干扰磁场在经过算法处理之后会被抵消掉，所以该测量方法适合应用在电磁环境复杂的场景。

2、在待测电流偏离的传感器阵列圆心的情况下，依据高斯-勒让德数值积分公式选取的有限个积分节点处的磁场值依然可以很好地描述整个圆周上的磁场分布情况，所以该测量方法提高了测量精度及准确度。

3、在应用推广上，可以根据不同的精度等级选择隧道磁阻传感器的个数，根据载流导体的大小选择传感器阵列的半径，适合在多种场景下进行推广，具有良好的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例中圆形隧道磁阻传感器阵列排布示意图。

图2为本发明实施例中电流测量状态中的示意图。

图3是仿真中待测电流的位置示意图。

图4是仿真中干扰电流的位置示意图。

图5为采用基于高斯-勒让德数值积分的电流计算模型获取的计算误差值error随待测电流位置变化的三维图。

图6为s＝0.05，s＝0.1，s＝0.15，s＝0.2时采用基于高斯-勒让德数值积分的电流计算模型获取的计算误差值error随待测电流的环内偏心角α变化的曲线图。

图7为采用隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流计算模型获取的计算误差值error随待测电流位置变化的三维图。

图8为s＝0.05，s＝0.1，s＝0.15，s＝0.2时采用隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流计算模型获取的计算误差值error随待测电流的环内偏心角α变化的曲线图。

图9为采用基于高斯-勒让德数值积分的电流计算模型获取的屏蔽误差值Error随干扰电流位置变化的三维图。

图10为S＝3，S＝3.5，S＝4时采用基于高斯-勒让德数值积分的电流计算模型获取的屏蔽误差值Error随干扰电流的环外偏心角δ变化的曲线图。

图11为采用隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流计算模型获取的屏蔽误差值Error随干扰电流位置变化的三维图。

图12为S＝3，S＝3.5，S＝4时采用隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流计算模型获取的屏蔽误差值Error随干扰电流的环外偏心角δ变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种单轴隧道磁阻电流测量方法，应用于电流测量。本测量方法涉及的装置包括一个PCB板，在PCB板的中部设有中心孔，所述中心孔用于待测载流导体穿过。

所述PCB板上非均匀布设多个隧道磁阻传感器，所述测量方法通过确定多个隧道磁阻传感器在PCB板上的安装位置，完成圆形隧道磁阻传感器阵列的安装，并进行待测导体电流的测量，包括以下步骤：

步骤1，设定在PCB板上以中心孔的圆心O为圆心、以R为半径作一个圆Z，然后将n个隧道磁阻传感器布设安装在圆Z的圆周上，组成一个圆形隧道磁阻传感器阵列E；将该圆形隧道磁阻传感器阵列E中的任意一个隧道磁阻传感器记为隧道磁阻传感器k，k＝1，2...n，n为正整数，3≤n≤8。

在本发明中，取n＝3。

步骤2，将圆形隧道磁阻传感器阵列E对应的圆形路径作为闭合的磁感应强度积分路径，并按照高斯-勒让德积分方法确定每个隧道磁阻传感器在圆形路径上的位置及隧道磁阻传感器的敏感轴位置，具体做法如下：

以圆心O为坐标原点建立直角坐标系，并将隧道磁阻传感器k的安装位置简化为安装点P_k，k＝1，2...n；

从安装点P_k向圆心O做直线L1，并将直线L1与X轴正方向的夹角的弧度记为隧道磁阻传感器k的传感器弧度θ_k，k＝1，2...n；

设定隧道磁阻传感器k的敏感轴的方向为逆时针方向，以安装点P_k为端点向X轴正方向作一与X轴平行或重合的射线L2、以安装点P_k为端点沿隧道磁阻传感器k的敏感轴方向作一射线L3，并将射线L3与射线L2所成夹角的弧度记为隧道磁阻传感器k的敏感轴弧度γ_k，k＝1，2...n；

传感器弧度θ_k和敏感轴弧度γ_k的表达式分别如下：

θ_k＝(t_k+1)π

γ_k＝(t_k+1.5)π

式中，t_k为求积节点，k＝1，2...n，其具体数值通过高斯-勒让德积分公式表查取得到；

隧道磁阻传感器k的安装点P_k的X轴坐标为R cosθ_k、Y轴坐标为R sinθ_k，k＝1，2...n。

附表1为高斯-勒让德积分公式的求积节点与求积系数表。

附表1

由该附表1可见，当n＝3时，t₁＝0.0000000，t₂＝0.7745967，t₃＝-0.7745967，利用该数据可以求出三个磁阻传感器及敏感轴在圆形路径上的位置。

图1给出了三个隧道磁阻传感器的位置、传感器弧度θ_k和敏感轴弧度γ_k。从图1可见，三个传感器在圆形路径上并非均匀分布。

步骤3，将n个隧道磁阻传感器按照步骤2得到的数据进行安装，在PCB板上组成圆形隧道磁阻传感器阵列E。

本实施例中，按照步骤2得到的数据，将三个隧道磁阻传感器安装在PCB板上。

步骤4，设定测量时待测载流导体穿过PCB板中心孔的圆心O，且与圆形隧道磁阻传感器阵列E所在平面垂直，基于安培环路定理建立待测电流值I与圆形隧道磁阻传感器阵列E之间的高斯-勒让德求积方程，表达式如下：

其中，

A_k为求积系数，k＝1，2...n，具体数值通过高斯-勒让德积分公式的求积节点与求积系数表查取得到；μ为真空磁导率；

为隧道磁阻传感器k处的磁场矢量；

为单位矢量，

将隧道磁阻传感器k处的磁场矢量

在单位矢量

方向上的投影值记为B_k，

设定隧道磁阻传感器k的敏感轴方向与单位矢量

的方向保持一致，B_k即为隧道磁阻传感器k测得的磁场值。

通过附表1，得到三个隧道磁阻传感器对应的求积系数A_k的具体数值，分别为：A₁＝0.8888889，A₂＝0.5555556，A₃＝0.5555556。

步骤5，将待测载流导体穿过PCB板中心孔的圆心O，且与圆形隧道磁阻传感器阵列E所在平面垂直，实施测量得到n个磁场值B_k，对该n个磁场值B_k按照下式进行计算获得待测电流值I，

图2为本发明实施例中电流测量状态的示意图。图中，1为待测载流导体，2为PCB板，本实施例中PCB板为圆形，3为中心孔，4为布设在PCB板上的隧道磁阻传感器。工作时，将待测载流导体垂直穿过中心孔。通过该测量可以得到三个隧道磁阻传感器的三个磁场值B₁、B₂、B₃，则：

为了验证本发明的有效性，对本发明进行仿真验证。

仿真中的设置由图3、图4、图5可见，具体如下：

图3是仿真中待测电流的位置示意图。记待测电流的位置与坐标原点之间的距离为环内偏心距d，记环内偏心距离比为s，s＝d/R，显然s＜1；以坐标原点为端点向待测电流所在的位置作一射线L4，记L4与X轴正方向所成夹角为环内偏心角α。

图4是仿真中干扰电流的位置示意图。以干扰电流模拟磁场干扰源，记干扰电流的位置与坐标原点之间的距离为环外偏心距D，记环外偏心距离比为S，S＝D/R，显然S＞1；以坐标原点为端点向干扰电流所在的位置作一射线L5，记L5与X轴正方向所成夹角为环外偏心角δ。根据安培环路定理，当干扰电流处于圆形隧道磁阻传感器阵列E外部时，沿圆形隧道磁阻传感器阵列E对应的圆形路径对磁感应强度进行积分的理论值为0，即对外部干扰磁场具有屏蔽作用。

在MATLAB中分别建立本发明实施例中采用的基于高斯-勒让德数值积分的电流计算模型、隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流计算模型，并设置隧道磁阻传感器的个数n＝3，R＝0.2m。

通过改变环内偏心距离比s及环内偏心角α改变待测电流的位置，进行仿真实验得到两种电流计算模型对不同位置处待测电流的计算误差值error，对比两种电流计算模型在待测电流偏离圆心O时的测量准确度。

通过改变环外偏心距离比S及环外偏心角δ改变干扰电流的位置，进行仿真实验得到两种电流计算模型对不同位置处干扰电流的屏蔽误差值Error，对比两种电流计算模型对于外部干扰磁场的屏蔽效果。

图5和图6分别给出了n＝3，R＝0.2m时采用本发明所提出电流测量方法的计算误差值error随待测电流位置变化的三维图和曲线图，由图6可见s＝0.05，s＝0.1，s＝0.15，s＝0.2时error的最大值分别为0.242％，0.813％，1.769％，3.177％。

图7和图8分别给出了n＝3，R＝0.2m时采用隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流计算模型获取的计算误差值error随待测电流位置变化的三维图和曲线图，由图8可见s＝0.05，s＝0.1，s＝0.15，s＝0.2时error的最大值分别为0.072％，0.61％，2.106％，5.066％。

对比图5和图7可知采用本发明所提出电流测量方法时整体的计算误差值更小。对比图6和图8可知随着环内偏心距离比s的增大，采用本发明所提出电流测量方法具有更高的测量精度。

图9和图10分别给出了n＝3，R＝0.2m时采用本发明所提出电流测量方法的屏蔽误差值Error随干扰电流位置变化的三维图和曲线图，由图10可见S＝3，S＝3.5，S＝4时Error的最大值分别为9.71％，6.853％，5.093％。

图11和图12分别给出了n＝3，R＝0.2m时采用隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流计算模型获取的屏蔽误差值Error随干扰电流位置变化的三维图和曲线图，由图12可见S＝3，S＝3.5，S＝4时Error的最大值分别为24.16％，15.07％，9.972％。

对比图9和图11可知，采用本发明所提出电流测量方法时整体的屏蔽误差值更小、屏蔽效果更好。对比图10和图12可知，采用本发明所提出电流测量方法在环外偏心距离比S不同时均具有更好的屏蔽效果。

对比图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12可见，在待测电流的环内偏心距离比s较大时，采用本发明所提出的电流测量方法相对于隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流测量方法具有更高的测量精度；在有干扰磁场时，采用本发明所提出的电流测量方法相对于隧道磁阻传感器均匀排列在圆形路径上的电流测量方法对干扰磁场具有更好的屏蔽效果。

Claims (1)

1.一种单轴隧道磁阻电流测量方法，应用于电流测量，本测量方法涉及的装置包括一个PCB板，在PCB板的中部设有中心孔，所述中心孔用于待测载流导体穿过；

其特征在于，所述PCB板上非均匀布设多个隧道磁阻传感器，所述测量方法通过确定多个隧道磁阻传感器在PCB板上的安装位置，完成圆形隧道磁阻传感器阵列的安装，并进行待测导体电流的测量，包括以下步骤：

步骤1，设定在PCB板上以中心孔的圆心O为圆心、以R为半径作一个圆Z，然后将n个隧道磁阻传感器布设安装在圆Z的圆周上，组成一个圆形隧道磁阻传感器阵列E；将该圆形隧道磁阻传感器阵列E中的任意一个隧道磁阻传感器记为隧道磁阻传感器k，k＝1，2...n，n为正整数，3≤n≤8；

步骤2，将圆形隧道磁阻传感器阵列E对应的圆形路径作为闭合的磁感应强度积分路径，并按照高斯-勒让德积分方法确定每个隧道磁阻传感器在圆形路径上的位置及隧道磁阻传感器的敏感轴位置，具体做法如下：

以圆心O为坐标原点建立直角坐标系，并将隧道磁阻传感器k的安装位置简化为安装点P_k，k＝1，2...n；

从安装点P_k向圆心O做直线L1，并将直线L1与X轴正方向的夹角的弧度记为隧道磁阻传感器k的传感器弧度θ_k，k＝1，2...n；

设定隧道磁阻传感器k的敏感轴的方向为逆时针方向，以安装点P_k为端点向X轴正方向作一与X轴平行或重合的射线L2、以安装点P_k为端点沿隧道磁阻传感器k的敏感轴方向作一射线L3，并将射线L3与射线L2所成夹角的弧度记为隧道磁阻传感器k的敏感轴弧度γ_k，k＝1，2...n；

传感器弧度θ_k和敏感轴弧度γ_k的表达式分别如下：

θ_k＝(t_k+1)π

γ_k＝(t_k+1.5)π

式中，t_k为求积节点，k＝1，2...n，其具体数值通过高斯-勒让德积分公式的求积节点与求积系数表查取得到；

隧道磁阻传感器k的安装点P_k的X轴坐标为Rcosθ_k、Y轴坐标为Rsinθ_k，k＝1，2...n；

步骤3，将n个隧道磁阻传感器按照步骤2得到的数据进行安装，在PCB板上组成圆形隧道磁阻传感器阵列E；

步骤4，设定测量时待测载流导体穿过PCB板中心孔的圆心O，且与圆形隧道磁阻传感器阵列E所在平面垂直，基于安培环路定理建立待测电流值I与圆形隧道磁阻传感器阵列E之间的高斯-勒让德求积方程，表达式如下：

其中，

A_k为求积系数，k＝1，2...n，具体数值通过高斯-勒让德积分公式的求积节点与求积系数表查取得到；μ为真空磁导率；

为隧道磁阻传感器k处的磁场矢量；

为单位矢量，

将隧道磁阻传感器k处的磁场矢量

在单位矢量

方向上的投影值记为B_k，

k＝1，2...n；设定隧道磁阻传感器k的敏感轴方向与单位矢量

的方向保持一致，B_k即为隧道磁阻传感器k测得的磁场值；

步骤5，将待测载流导体穿过PCB板中心孔的圆心O，且与圆形隧道磁阻传感器阵列E所在平面垂直，实施测量得到n个磁场值B_k，对该n个磁场值B_k按照下式进行计算获得待测电流值I，

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