CN113391115A - 一种测量电流的圆形传感器阵列 - Google Patents

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马浩宇
赵根
何金良
张波
李琦
余占清
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Abstract

本发明提供了一种测量电流的圆形传感器阵列，包括圆环形PCB板，圆环形PCB板上均匀设有n个磁场传感器，其中n为≥2的整数，n个磁场传感器形成圆形传感器阵列。本发明的圆形传感器阵列测量电流时，将待测量电流值的导体置于圆环形PCB板的中心处，即圆形传感器阵列的中心处进行检测，其能够大大削弱如导线偏心、传感器噪声、附近导线干扰等情况造成的测量误差。

Description

一种测量电流的圆形传感器阵列
技术领域
本发明涉及电流测量技术领域，具体为一种测量电流的圆形传感器阵列。
背景技术
电流(电流强度)是在单位时间内通过导体任一截面的电量，以安培(A)为单位，通常用字母I表示。电流是看不见摸不着的，电流的强度是需要通过电流测量装置进行测量，现有的电量测量装置内设有磁场传感器，磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号并输出，从而实现导体的电流强度的测量。
目前，现有的电流测量装置多为单个的磁场传感器，在实际测量过程中，由于各种非理想情况，如导线偏心、磁场传感器噪声、附近导线干扰等情况，会存在电流测量误差过大的问题，严重影响导体的电流测量的准确度的及精度。
因此，需要对现有的电流测量装置的磁场传感器结构进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量电流的圆形传感器阵列，圆形传感器阵列能够削弱甚至消除导体的电流测量过程中，由于导线偏心、磁场传感器噪声、附近导线干扰等情况引起的测量误差，从而确保导体的电流测量的准确度的及精度。
实现发明目的的技术方案如下：一种测量电流的圆形传感器阵列，包括圆环形PCB板，圆环形PCB板上均匀设有n个磁场传感器，其中n为≥2的整数，n个磁场传感器形成圆形传感器阵列。
本发明的圆形传感器阵列测量电流时，将待测量电流值的导体置于圆环形PCB板的中心处，即圆形传感器阵列的中心处进行检测，其能够大大削弱如导线偏心、传感器噪声、附近导线干扰等情况造成的测量误差。
圆形传感器阵列检测电流的原理是：若干个磁场传感器均匀分布在导体的外周，其各个位置的磁场传感器检测的切向磁场测量数据为Hit，根据安培环路定理单个磁场传感器测得的电流值为Iit＝2πr*Hit。此时，导体的若干磁场传感器检测的电流值的平均值即为导体的电流的检测值I，即
Figure BDA0002981192180000021
其与导体的电流的真实值之间的误差很小。一般的，由于磁场强度通常使用高斯单位制表示，为Oe(奥斯特)，若将磁场数据转换为国际单位制，设高斯单位制下的磁场强度为，国际单位制下的磁场强度为H，则有
Figure BDA0002981192180000022
将国际单位制下的磁场强度为H输入电流的检测值I公式中，即得，
Figure BDA0002981192180000023
其中，n为圆形传感器阵列内的磁场传感器数量。
其中，磁场传感器包括磁场传感芯片，磁场传感芯片用于检测被测导体的磁场强度并转换为模拟差分电压。磁场传感芯片的输出端电连接有仪表放大电路，且仪表放大电路用于对模拟差分电压进行放大。磁场传感器还包括供电电路，供电电路的输出端分别与磁场传感芯片及仪表放大电路电连接，供电电路用于对磁场传感芯片及仪表放大电路提供供电电压Vcc。
进一步的，在本发明的供电电路中，供电电路包括电源及稳压芯片，电源为直流稳压电源。为了提高磁场传感芯片及仪表放大电路的不同的电压需求，在稳压芯片上设有至少2个引脚，用于为磁场传感芯片及仪表放大电路提供3.3～5V的供电电压Vcc。
作为对上述供电电路的改进，为了避免线路板上的分布各个电容可能产生的噪声干扰，使供电电路还包括第一电容及第二电容，第一电容并联设置在稳压芯片的输入端，第二电容并联设置在稳压芯片的输出端。，第一电容及第二电容的设置，能够抑制干扰电路板上其他电容可能产生的噪声干扰，获取稳定的电源电压。
作为对上述供电电路的改进，由于本发明的圆形传感器阵列采用的是单电源供电，因此需要为仪表放大电路提供偏置。供电电路包括电压调理模块，电压调理模块包括参考电压芯片，电压调理模块用于为仪表放大电路提供直流偏置电压，使仪表放大电路对放大的模拟差分电压增加偏置。进一步的，直流偏置电压的值为1.25V或2.5V。具体的，参考电压芯片择优选用芯片REF2025，芯片REF2025能够提供高精度的2.5V电压作为偏置，同时也会提供REF/2偏置电压，即1.25V的直流偏置电压，电压调理模块的输出端与仪表放大电路的参考电压输入端电连接，电压调理模块的输入端与稳压芯片的Vcc输出端电连接。上述REF与REF/2的偏置电压可以应对不同的情况，其误差均不超过0.05％，能够满足磁场传感器的精度要求。
在本发明的一个优选实施例中，磁场传感芯片为TMR磁场传感芯片，相比于其他种类的磁场传感芯片，TMR传感芯片具有高灵敏度、低功耗、温漂低、磁滞低、线性度好等显著优点，且其集成度高，可以有效的缩小传感器大小，便于小半径的圆形阵列情况下的高精度磁场测量。更进一步的，在考虑了灵敏度、量程等主要因素后，本发明择优选用自行研发的TMR87E2磁场传感芯片，其采用了独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，当磁场沿着磁场传感芯片敏感轴方向变化时，惠斯通全桥会提供差分电压输出，且该芯片采用DFN8(3mm＊3mm＊0.75mm)封装形式。
在本发明的一个优选实施例中，仪表放大电路包括仪表放大器AD及电阻RG。在本发明中，仪表放大器AD择优选择AD623，且在单极性电源的供电模式下，其放大倍数由接入的电阻R决定，放大倍数公式为
Figure BDA0002981192180000031
为了确保磁场传感器的输出电压在合理范围内，选取电阻RG为10KΩ。计算可得当供电电压为3.3V时，传感器的灵敏度为726mV/Oe。同时，为了确保电源电压与输出电压的精度，仪表放大器AD的输出端还并联有若干个对地电容，若干个对地电容形成信号调理模块，例如：同时为仪表放大器AD并联电阻值为0.1uF，10uF及100pF的3个对地电容，确保电源电压及输出电压不会受到噪声的干扰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的设计的圆形传感器阵列在测量电流时，将待测量电流值的导体置于圆环形PCB板的中心处，即圆形传感器阵列的中心处进行检测，其能够大大削弱如导线偏心、传感器噪声、附近导线干扰等情况造成的测量误差。
2.通过对磁场传感器的供电电路的设计，能够确保磁场传感芯片及仪表放大电路的用电需求，同时，通过不同电容的设计，能够产生不同的直流偏置电压供使用者选择。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明圆形传感器阵列的示意图；
图2为本发明圆形传感器阵列的磁场传感器的电路结构图；
图3为本发明仪表放大电路的电路图；
图4为本发明供电电路的第一电容及第二电容示意图；
图5为本发明供电电路的电压调理模块的示意图；
图6为本发明在无外部电流干扰时反演得到的电流值与真实电流值的关系图；
图7为本发明在不同偏心度与电流反演误差的关系图；
图8为本发明在不同干扰电流距离与电流反演误差的关系图；
其中，1.圆环形PCB板；2.磁场传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本具体实施方式提供了一种测量电流的圆形传感器阵列，在本实施方式中，请参图1所示，测量电流的圆形传感器阵列包括圆环形PCB板1，圆环形PCB板1上均匀设有n个磁场传感器2，其中n为≥2的整数，n个磁场传感器2形成圆形传感器阵列，如图1所示，磁场传感器2有10个，其均匀的设置在圆环形PCB板1上，需要说明的是，磁场传感器2的数量可以根据不同直径的被测导体，测定的不同电流范围进行设置。
其中，磁场传感器2包括磁场传感芯片、仪表放大电路、供电电路，磁场传感芯片、仪表放大电路、供电电路的连接，如图2所示。
具体的，磁场传感芯片用于检测被测导体的磁场强度并转换为模拟差分电压。在本实施例中，磁场传感芯片为TMR磁场传感芯片，相比于其他种类的磁场传感芯片，TMR传感芯片具有高灵敏度、低功耗、温漂低、磁滞低、线性度好等显著优点，且其集成度高，可以有效的缩小传感器大小，便于小半径的圆形阵列情况下的高精度磁场测量。更进一步的，在考虑了灵敏度、量程等主要因素后，本发明择优选用自行研发的TMR87E2磁场传感芯片，其采用了独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，当磁场沿着磁场传感芯片敏感轴方向变化时，惠斯通全桥会提供差分电压输出，且该芯片采用DFN8(3mm＊3mm＊0.75mm)的封装形式。
具体的，如图2所示，仪表放大电路与磁场传感芯片的输出端电连接，且仪表放大电路用于对模拟差分电压进行放大。仪表放大电路包括仪表放大器AD及电阻R。在本实施例中，如图3所示，仪表放大器AD择优选择AD623，且在单极性电源的供电模式下，其放大倍数由接入的电阻RG(如AD1的R1及AD2的R5)决定，放大倍数公式为
Figure BDA0002981192180000061
为了确保磁场传感器的输出电压在合理范围内，选取电阻RG为10KΩ。计算可得当供电电压为3.3V时，传感器的灵敏度为726mV/Oe。同时，为了确保电源电压与输出电压的精度，仪表放大器AD的输出端还并联有若干个对地电容，若干个对地电容形成信号调理模块，例如：如图3所示，同时为仪表放大器AD的AD1及AD2上分别并联电阻值为0.1uF(C5/C9)，10uF(C6/C10)及100pF(C7/C11)的3个对地电容，确保电源电压及输出电压不会受到噪声的干扰。
具体的，如图2所示，供电电路的输出端分别与磁场传感芯片及仪表放大电路电连接，供电电路用于对磁场传感芯片及仪表放大电路提供供电电压Vcc。
进一步的，作为对上述供电电路的改进，如图2所示，供电电路包括电源及稳压芯片，电源为直流稳压电源。为了提高磁场传感芯片及仪表放大电路的不同的电压需求，在稳压芯片上设有至少2个引脚，用于为磁场传感芯片及仪表放大电路提供3.3～5V的供电电压Vcc。在本实施例中，稳压芯片上设有2个引脚，其中一个引脚可以为磁场传感芯片及仪表放大电路提供5V供电电压，另一个引脚可以为磁场传感芯片及仪表放大电路提供3.3V供电电压，使用时，用户可以根据实际需求，选择将磁场传感芯片及仪表放大电路经3.3V或5V的引脚与稳压芯片连接。
作为对上述供电电路的改进，本实施例的稳压芯片选用型号为TPS7533的芯片，同时，为了避免线路板上的分布各个电容可能产生的噪声干扰，使供电电路还包括第一电容及第二电容。如图4所示，第一电容C1并联设置在稳压芯片的输入端，第二电容C2并联设置在稳压芯片的输出端。第一电容C1及第二电容C2的值均为1uF，第一电容C1及第二电容C2的设置能够抑制干扰电路板上其他电容可能产生的噪声干扰，获取稳定的电源电压。
作为对上述供电电路的改进，由于本发明的圆形传感器阵列采用的是单电源供电，因此需要为仪表放大电路提供偏置。供电电路还包括电压调理模块，电压调理模块包括参考电压芯片。电压调理模块用于为仪表放大电路提供直流偏置电压，使仪表放大电路对放大的模拟差分电压增加偏置。进一步的，直流偏置电压的值为1.25V或2.5V。具体的，参考电压芯片择优选用芯片REF2025，芯片REF2025能够提供高精度的2.5V电压作为偏置，同时也会提供REF/2偏置电压，即1.25V的偏置电压，电压调理模块的输出端与仪表放大电路的参考电压输入端电连接，电压调理模块的输入端与稳压芯片的Vcc输出端电连接。上述REF与REF/2的偏置电压可以应对不同的情况，其误差均不超过0.05％，能够满足磁场传感器的精度要求。
本实施例的圆形传感器阵列测量电流时，将待测量电流值的导体置于圆环形PCB板的中心处，即圆形传感器阵列的中心处进行检测，其能够大大削弱如导线偏心、传感器噪声、附近导线干扰等情况造成的测量误差。
圆形传感器阵列检测电流的原理是：若干个磁场传感器均匀分布在导体的外周，其各个位置的磁场传感器检测的切向磁场测量数据为Hit，根据安培环路定理单个磁场传感器测得的电流值为Iit＝2πr*Hit。此时，导体的若干磁场传感器检测的电流值的平均值即为导体的电流的检测值I，即
Figure BDA0002981192180000081
其与导体的电流的真实值之间的误差很小。一般的，由于磁场强度通常使用高斯单位制表示，为Oe(奥斯特)，若将磁场数据转换为国际单位制，设高斯单位制下的磁场强度为，国际单位制下的磁场强度为H，则有
Figure BDA0002981192180000082
将国际单位制下的磁场强度为H输入电流的检测值I公式中，即得，
Figure BDA0002981192180000083
其中，n为圆形传感器阵列内的磁场传感器数量。
以下，通过对圆形传感器阵列进行性能测试，并对电流检测的反演误差进行分析，其结果如下所示：
1.当导体置于圆形传感器阵列的中心，且没有外部电流串扰时，将采用圆形阵列反演得到的电流值与真实电流值做比较，如图6所示，在各电流下的结果误差均不超过1％。
2.考虑偏心情况下的测量结果，取被测导体的电流大小为10A及20A，当偏心度在0～0.5之间变化时，得到电流反演误差如下图7所示，在两种电流幅值情况下，整体的电流反演误差在1.5％以内。
3.在存在串扰的情况下，取被测电流大小为10A及20A，定义串扰角度为串扰电流与传感器1的夹角，当串扰角度为(2i+1)π/2n时，串扰电流对待测电流的测量不造成影响，并且串扰电流与被测电流同相位，其中n为阵列的传感器数量，i为范围在0到n－1之间的正整数。取串扰角度为0，当串扰导线距离在2r～5r之间变化时，且串扰电流大小分别为10A和20A时，得到电流反演误差如下图8所示，整体的反演误差在1.2％以内，且误差随串扰电流的增大而增大，随距离的增加而减小。
综合以上结果，圆形阵列在导线电流的测量中，考虑偏心和串扰的情况下，总体的反演误差不超过1.5％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式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。

Claims (8)

1.一种测量电流的圆形传感器阵列，其特征在于：包括圆环形PCB板，所述圆环形PCB板上均匀设有n个磁场传感器，其中n为≥2的整数，n个所述磁场传感器形成圆形传感器阵列。
2.根据权利要求1所述的圆形传感器阵列，其特征在于：所述磁场传感器包括磁场传感芯片，所述磁场传感芯片用于检测被测导体的磁场强度并转换为模拟差分电压；
所述磁场传感芯片的输出端电连接有仪表放大电路，且所述仪表放大电路用于对模拟差分电压进行放大；
所述磁场传感器还包括供电电路，所述供电电路的输出端分别与所述磁场传感芯片及所述仪表放大电路电连接，所述供电电路用于对所述磁场传感芯片及所述仪表放大电路提供供电电压Vcc。
3.根据权利要求2所述的圆形传感器阵列，其特征在于：所述供电电路包括电源及稳压芯片，所述电源为直流稳压电源；所述稳压芯片上设有至少2个引脚，用于为所述磁场传感芯片及所述仪表放大电路提供3.3～5V的供电电压Vcc。
4.根据权利要求3所述的圆形传感器阵列，其特征在于：所述供电电路还包括第一电容及第二电容，所述第一电容并联设置在所述稳压芯片的输入端，所述第二电容并联设置在所述稳压芯片的输出端。
5.根据权利要求4所述的圆形传感器阵列，其特征在于：所述供电电路还包括电压调理模块，所述电压调理模块包括参考电压芯片，所述电压调理模块用于为所述仪表放大电路提供直流偏置电压，使所述仪表放大电路对放大的模拟差分电压增加偏置。
6.根据权利要求5所述的圆形传感器阵列，其特征在于：所述直流偏置电压的值为1.25V或2.5V。
7.根据权利要求2所述的圆形传感器阵列，其特征在于：所述磁场传感芯片为磁场传感芯片。
8.根据权利要求2所述的圆形传感器阵列，其特征在于：所述仪表放大电路包括仪表放大器AD及电阻RG，且所述仪表放大器AD的输出端还并联有若干个对地电容，若干个所述对地电容形成信号调理模块。
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