CN113567897A - 一种环型tmr阵列传感器自适应测量方法 - Google Patents

Abstract

一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，属于电力传感器测量技术领域。本发明首先提出了一种TMR传感器的设计方案，并通过建立传递函数分析温度、磁场等因素对传感器测量精度的影响，分别建立了补偿偏置电压后、考虑磁场干扰后以及屏蔽外界磁场后的TMR传感器传递函数；然后考虑到磁传感器阵列在测量环型阵列内部磁场时，容易受到外界磁场的干扰，影响测量精度，基于LMS算法提出了一种降低磁场干扰的磁阵列自适应测量的方法，可通过将某一段时间的传感器测量磁场作为输入，过滤外界的杂散磁场信号，实现对外界磁场的自适应屏蔽，提升测量精度。该方法相对于当前的钳形电流传感器测量装置具有更小的平均相对误差，符合实际工程需求。

Description

一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法

技术领域

本发明涉及环型TMR阵列传感器自适应测量方法，属于电力传感器测量技术领域。

背景技术

随着光伏、风电、电动汽车等新能源系统的发展，采用非接触式隔离测量技术的电流互感器在电力工业的需求日益增加。然而，传统的霍尔电流传感器存在灵敏度低、功耗高、线性度差等缺陷，无法满足适应复杂的电磁环境。为了实现高精度、低成本的电流测量，迫切需求新型材料的传感器技术。

根据传感器薄膜材料的不同，磁阻传感器可分为各向异性磁阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)传感器等。其中，AMR的灵敏度优于霍尔传感器，但其线性范围较窄，需要通过置位/复位线圈对其进行置位/复位，使得AMR传感器制造过程复杂；GMR传感器的薄膜中间层采用金属材料，容易受到环境温度等周围因素的影响，不适用于高频信号采集；相比较于霍尔、AMR、GMR传感器，TMR传感器的中间层采用绝缘材料，能够更好地适应温度变化，并且具有灵敏度高、低功耗、高线性度和较宽范围频率响应等优点。

为了进一步提升磁阻传感器的测量效果，通常将传感器设计为环型磁阵列，即将多个磁阻传感器均匀地分布在导体周围测量磁场强度。这种结构能够降低传感器的体积和质量，提升磁阻的抗饱和能力。然而实际工程中，由于铁芯不能完全屏蔽外界磁场，位于环型传感器外部的磁场源会在测量目标电流时产生干扰，降低测量精度。

因此，亟需一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，实现对外界磁场的自适应屏蔽，提升测量精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的具体方案如下：

一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，包括以下步骤：

步骤一、提出环形TMR传感器的测量设计方案；

步骤二、进行噪声信号对TMR传感器的影响分析；

步骤三、磁阵列滤波算法设计；

步骤四、磁阵列模型性能分析。

步骤一中采取将磁场投影至敏感轴方向，来测量磁感应强度的大小。

步骤二中采取建造传递函数的方式来分析温度、磁场等因素对传感器测量精度的影响。

步骤三中采用将某一段时间的传感器测量磁场作为输入，并过滤外界的杂散磁场信号。

步骤四中采用三个磁传感器在某时刻测得的磁感应强度以及经LMS滤波器滤波后的磁感应强度作为计算参数，算得最终的磁感应强度。

优选的：所述步骤一中，环形TMR传感器的测量设计方案具体为：

环型TMR阵列传感器是由多个TMR传感器元件均匀分布在导体周围的圆形PCB组成，设被测的载流导体穿过环型阵列的中心点，并且与磁阵列所在的空间平面垂直，根据毕奥萨伐尔定律，每个TMR元件输出的电压表示为：

式中，K_s表示为TMR元件的灵敏度系数，B表示为待测导体沿着传感器与中心方向的灵敏点的磁感应强度，I为待测导体的电流，s为TMR元件敏感方向的单位向量，r为环型TMR阵列传感器的半径；

根据式(1-1)，TMR电流传感器的开环传递函数，其增益与TMR元件的灵敏度、电压放大器电路的增益和自身磁导率有关，因此，TMR电流传感器开环传递函数为：

式中，Ga为电压放大器的传递函数，V_out(s)为TMR元件的输出电压，I_p(s)为系统测得的输入电流，K为待测导体的电流I和传感器感应的磁场强度B之间的线性关系；

其开环特性可以用一阶系统表示为：

式中，K_a为电压放大器的静态增益，τ_a为开环系统中电压放大器的时间常数，s为TMR元件敏感方向的单位向量；

将公式(1-3)其代入公式(1-2)，则TMR电流传感器开环结构的一阶传递函数表示为：

优选的：所述步骤二中，进行噪声信号对TMR传感器的影响分析方法是：

随着测量环境因素变化，其产生的噪声信号会对TMR传感器的性能产生影响，考虑自身和环境因素的TMR电流传感器的传递函数，其中，V₀为TMR传感器受自身固有特性和外界环境影响，会使其产生零点漂移，即测量电流为零时，传感器自身会产生偏置电压，输出不等于零的测量电压，此时，传感器经运放输出的电压为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·V₀ (2-1)

因此，在设计传感器电路时，设计辅助电路补偿偏置电压，此时补偿偏置电压后的TMR传感器传递函数为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·(V₀-V₁) (2-2)

式中，V₁为补偿后的电压；

同理，传感器测量环境的杂散磁场也会使输出电压产生偏置，考虑磁场干扰干扰的TMR电流传感器，此时传感器经运放输出的电压为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·B₀·K_s (2-3)

式中，B₀为干扰磁场信号；

为了减小外部磁场的干扰，设计电磁屏蔽方案，降低干扰磁场信号B_o的磁场强度，减少对传感器测量精度的影响，此时屏蔽外界磁场后的TMR传感器传递函数为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·K₀·B₀·K_s (2-4)

式中，K₀为磁场屏蔽系数。

优选的：所述步骤三中，磁阵列滤波算法设计的具体方法是：

磁传感器阵列在测量环型阵列内部磁场时，容易受到外界磁场的干扰，影响测量精度，根据LMS算法，提出一种降低磁场干扰的磁阵列自适应测量的方法，当磁感应强度作为输入时，LMS算法的表达式为：

式中，

为滤波后的磁感应强度，w_k(t)为t时刻的权重系数，B_k(t)为传感器元件测得的磁感应强度，w_k(t+1)为t+1时刻的权重系数，μ为收敛因子，根据实际系统运行情况设置为一个常数，e(t)为滤波后的磁感应强度与磁感应强度的真实值间的误差，B_tar(t)为待测电流产生的磁感应强度的真实值；

磁场的输入形式可以为以下两种情况：(1)环型磁阵列中M个磁传感器在同一时刻输出，即为M个数值；(2)环型磁阵列中M个磁传感器在同一时间段输出，即为M个集合。

优选的：步骤四中，采用三个磁传感器在某一时刻测得的磁感应强度以及经LMS滤波器滤波后的磁感应强度作为计算参数，算得最终的磁感应强度：；

为了进一步分析磁阵列的工作性能，建立磁阵列模型，并将某一段时间内磁传感器检测的磁感应强度作为LMS滤波器的输入，根据毕奥-萨法尔定律，磁传感器S_i(i＝1，2，3)检测到载流导体的磁感应强度为：

其中

式中，R为传感器元件到载流导体的垂直距离，I₁(t)为载流导体1中的电流，D为两个导体之间的距离，φ_i为待测导体1与第i个传感器测量方向的相角，φ₁为待测导体1与第一个传感器测量方向的相角，I₂(t)为载流导体2中的电流，N为传感器的个数，由于传感器均匀分布在导体周围，所以用一个周期整除；

将TMR传感器在某段时间内的输出作为输入，则有

其中，B₁(t)，B₂(t)，B₃(t)为三个磁传感器在时刻t时刻测得的磁感应强度，

为经LMS滤波器滤波后的磁感应强度，w_1k(t)为LMS算法中第1个传感器设计的权重系数，w_2k(t)为LMS算法中第2个传感器设计的权重系数，w_3k(t)为LMS算法中第3个传感器设计的权重系数，

根据式(4-3)，最后测得的磁感应强度为：

本发明有益效果体现在：

1.本发明在分析温度、磁场等因素对传感器测量精度影响的基础上，提出了一种磁阵列自适应测量方法。并提出了一种基于最小均方根算法的磁阵列测量滤波算法，实现对外界磁场的自适应屏蔽，提高测量精度。最后建立了磁阵列模型，进一步分析了磁阵列的工作性能。

2.本发明首先提出了一种TMR传感器的设计方案，并通过建立传递函数分析温度、磁场等因素对传感器测量精度的影响，分别建立了补偿偏置电压后、考虑磁场干扰后以及屏蔽外界磁场后的TMR传感器传递函数。然后考虑到磁传感器阵列在测量环型阵列内部磁场时，容易受到外界磁场的干扰，影响测量精度，基于LMS算法提出了一种降低磁场干扰的磁阵列自适应测量的方法，可通过将某一段时间的传感器测量磁场作为输入，过滤外界的杂散磁场信号，实现对外界磁场的自适应屏蔽，提升测量精度。该方法相对于当前的钳形电流传感器测量装置具有更小的平均相对误差，符合实际工程需求。

附图说明

图1 TMR电流传感器开环结构示意图；

图2 TMR传感器开环传递函数结构；

图3考虑环境变化的TMR传感器传递函数结构；

图4补偿偏置电压后的TMR传感器传递函数结构；

图5考虑磁场干扰的TMR传感器传递函数结构；

图6屏蔽外界磁场后的TMR传感器传递函数结构；

图7基于LMS算法的磁场估算流程图；

图8是基于LMS算法的磁阵列模型；

图9是环形TMR阵列传感器自适应测量方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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。

本发明在分析温度、磁场等因素对传感器测量精度影响的基础上，提出了一种磁阵列自适应测量方法。并提出了一种基于最小均方根算法的磁阵列测量滤波算法，实现对外界磁场的自适应屏蔽，提高测量精度，最后建立了磁阵列模型，进一步分析了磁阵列的工作性能。

步骤一、提出了一种TMR传感器的设计方案

环型TMR阵列传感器是由多个TMR传感器元件均匀分布在导体周围的圆形PCB组成，如图1所示。以四个TMR传感器形成的半径为r的传感器为例，载流导体穿过环形阵列。假设需要被测的载流导体穿过环型阵列的中心点，并且与磁阵列所在的空间平面垂直，则根据毕奥萨伐尔定律，每个TMR元件输出的电压表示为

式(1-1)中，K_s表示为TMR元件的灵敏度系数，B表示为待测导体沿着传感器与中心方向的灵敏点的磁感应强度，I为待测导体的电流，s为TMR元件敏感方向的单位向量，r为环型TMR阵列传感器的半径；

根据式(1-1)，TMR电流传感器的开环传递函数框图如图2所示，其增益与TMR元件的灵敏度、电压放大器电路的增益和自身磁导率有关。

其中，K定义为待测导体的电流I和传感器感应的磁场强度B之间的线性关系。因此，TMR电流传感器开环传递函数为

式中，Ga为电压放大器的传递函数，K为待测导体的电流I和传感器感应的磁场强度B之间的线性关系，V_out(s)为TMR元件的输出电压，I_p(s)为系统测得的输入电流；

其开环特性可以用一阶系统表示为：

式中，K_a为电压放大器的静态增益，τ_a为开环系统中电压放大器的时间常数，s为TMR元件敏感方向的单位向量；将其代入式(1-2)，则TMR电流传感器开环结构的一阶传递函数表示为

步骤二、进行噪声信号对TMR传感器的影响分析

在步骤二中，通过建立传递函数分析温度、磁场因素对传感器测量精度的影响，分别建立补偿偏置电压后、考虑磁场干扰后以及屏蔽外界磁场后的TMR传感器传递函数

随着测量环境因素如温度等发生变化，其产生的噪声信号会对TMR传感器的性能产生影响。考虑自身和环境因素的TMR电流传感器的传递函数如图3所示。其中，V₀为TMR传感器受自身固有特性和外界环境影响，会使其产生零点漂移，即测量电流为零时，传感器自身会产生偏置电压，输出不等于零的测量电压。

此时，传感器经运放输出的电压为

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·V₀ (2-1)

因此，在设计传感器电路时，通常需要设计辅助电路补偿偏置电压，补偿后的传递函数结构如图4所示。其中V₁为补偿后的电压。

其中V₁为补偿后的电压，此时补偿偏置电压后的TMR传感器传递函数为V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·(V₀-V₁) (2-2)

同理，传感器测量环境的杂散磁场也会时输出电压产生偏置，考虑磁场干扰的TMR电流传感器传递函数如图5所示。

其中，B₀为干扰磁场信号，此时传感器经运放输出的电压为

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·B₀·K_s (2-3)

为了减小外部磁场的干扰，需要设计电磁屏蔽方案，即尽可能地降低干扰磁场信号B_o的磁场强度，减少对传感器测量精度的影响，此时屏蔽外界磁场后的传递函数结构如图6所示。

其中，K₀为磁场屏蔽系数，此时屏蔽外界磁场后的TMR传感器传递函数为V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·K₀·B₀·K_s (2-4)

步骤三、磁阵列滤波算法设计

磁传感器阵列在测量环型阵列内部磁场时，容易受到外界磁场的干扰，影响测量精度。在本实施方式中根据最小均方根(Least-Mean-Squares，LMS)算法，提出一种降低磁场干扰的磁阵列自适应测量的方法，当磁感应强度作为输入时，LMS算法的表达式为

式(3-1)得到的基于LMS算法的磁场估算流程图如图7所示。其中，B(t)＝[B₁(t)，B₂(t)，...，B_M(t)]，W(t)＝[w₁(t)，w₂(t)，...，w_M(t)]。磁场的输入形式可以为以下两种情况：(1)环型磁阵列中M个磁传感器在同一时刻输出，即为M个数值；(2)环型磁阵列中M个磁传感器在同一时间段输出，即为M个集合。

步骤四、磁阵列模型性能分析

为了进一步分析磁阵列的工作性能，建立磁阵列模型，即采用三个磁传感器元件均匀分布于载流导体的周围，并将某一段时间内磁传感器检测的磁感应强度作为LMS滤波器的输入，磁阵列模型如图8所示。根据毕奥-萨法尔定律，磁传感器S_i(i＝1，2，3)检测到载流导体的磁感应强度为

其中

图8中，载流导体1中的电流I₁(t)为磁阵列要测得的目标电流，载流导体2的电流I₂(t)为对磁阵列产生干扰的电流。两个导体间的距离为D，B_φ和B_r为对磁传感器产生干扰的两个分量。其中B_φ是平行于磁传感器的分量，B_r为载流导体1沿着磁传感器延伸方向的分。将TMR传感器在某段时间内的输出作为输入，则有

其中，B₁(t)，B₂(t)，B₃(t)为三个磁传感器在时刻t时刻测得的磁感应强度，

为经LMS滤波器滤波后的磁感应强度。根据式(4-3)，最后测得的磁感应强度为

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、提出环形TMR传感器的测量设计方案；

步骤二、进行噪声信号对TMR传感器的影响分析；

步骤三、磁阵列滤波算法设计；

步骤四、磁阵列模型性能分析。

2.根据权利要求1所述的一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，其特征在于：所述步骤一中，环形TMR传感器的测量设计方案具体为：

环型TMR阵列传感器是由多个TMR传感器元件均匀分布在导体周围的圆形PCB组成，设被测的载流导体穿过环型阵列的中心点，并且与磁阵列所在的空间平面垂直，根据毕奥萨伐尔定律，每个TMR元件输出的电压表示为：

式中，K_s表示为TMR元件的灵敏度系数，B表示为待测导体沿着传感器与中心方向的灵敏点的磁感应强度，I为待测导体的电流，s为TMR元件敏感方向的单位向量，r为环型TMR阵列传感器的半径；

根据式(1-1)，TMR电流传感器的开环传递函数，其增益与TMR元件的灵敏度、电压放大器电路的增益和自身磁导率有关，因此，TMR电流传感器开环传递函数为：

式中，Ga为电压放大器的传递函数，V_out(s)为TMR元件的输出电压，I_p(s)为系统测得的输入电流，K为待测导体的电流I和传感器感应的磁场强度B之间的线性关系；

其开环特性可以用一阶系统表示为：

式中，K_a为电压放大器的静态增益，τ_a为开环系统中电压放大器的时间常数，s为TMR元件敏感方向的单位向量；

将公式(1-3)其代入公式(1-2)，则TMR电流传感器开环结构的一阶传递函数表示为：

3.根据权利要求2所述的一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，其特征在于：所述步骤二中，进行噪声信号对TMR传感器的影响分析方法是：

随着测量环境因素变化，其产生的噪声信号会对TMR传感器的性能产生影响，考虑自身和环境因素的TMR电流传感器的传递函数，其中，V₀为TMR传感器受自身固有特性和外界环境影响，会使其产生零点漂移，即测量电流为零时，传感器自身会产生偏置电压，输出不等于零的测量电压，此时，传感器经运放输出的电压为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·V₀ (2-1)

因此，在设计传感器电路时，设计辅助电路补偿偏置电压，此时补偿偏置电压后的TMR传感器传递函数为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·(V₀-V₁) (2-2)

式中，V₁为补偿后的电压；

同理，传感器测量环境的杂散磁场也会使输出电压产生偏置，考虑磁场干扰干扰的TMR电流传感器，此时传感器经运放输出的电压为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·B₀·K_s (2-3)

式中，B₀为干扰磁场信号；

为了减小外部磁场的干扰，设计电磁屏蔽方案，降低干扰磁场信号B_o的磁场强度，减少对传感器测量精度的影响，此时屏蔽外界磁场后的TMR传感器传递函数为：

V_out＝K·K_s·G_a·I_p+G_a·K₀·B₀·K_s (2-4)

式中，K₀为磁场屏蔽系数。

4.根据权利要求3所述的一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，其特征在于：所述步骤三中，磁阵列滤波算法设计的具体方法是：

磁传感器阵列在测量环型阵列内部磁场时，容易受到外界磁场的干扰，影响测量精度，根据LMS算法，提出一种降低磁场干扰的磁阵列自适应测量的方法，当磁感应强度作为输入时，LMS算法的表达式为：

式中，

为滤波后的磁感应强度，w_k(t)为t时刻的权重系数，B_k(t)为传感器元件测得的磁感应强度，w_k(t+1)为t+1时刻的权重系数，μ为收敛因子，根据实际系统运行情况设置为一个常数，e(t)为滤波后的磁感应强度与磁感应强度的真实值间的误差，B_tar(t)为待测电流产生的磁感应强度的真实值；

磁场的输入形式可以为以下两种情况：(1)环型磁阵列中M个磁传感器在同一时刻输出，即为M个数值；(2)环型磁阵列中M个磁传感器在同一时间段输出，即为M个集合。

5.根据权利要求4所述的一种环型TMR阵列传感器自适应测量方法，其特征在于：步骤四中，采用三个磁传感器在某一时刻测得的磁感应强度以及经LMS滤波器滤波后的磁感应强度作为计算参数，算得最终的磁感应强度:；

为了进一步分析磁阵列的工作性能，建立磁阵列模型，并将某一段时间内磁传感器检测的磁感应强度作为LMS滤波器的输入，根据毕奥-萨法尔定律，磁传感器S_i(i＝1,2,3)检测到载流导体的磁感应强度为：

其中

式中，R为传感器元件到载流导体的垂直距离，I₁(t)为载流导体1中的电流，D为两个导体之间的距离，φ_i为待测导体1与第i个传感器测量方向的相角，φ₁为待测导体1与第一个传感器测量方向的相角，I₂(t)为载流导体2中的电流，N为传感器的个数，由于传感器均匀分布在导体周围，所以用一个周期整除；

将TMR传感器在某段时间内的输出作为输入，则有

其中，B₁(t)，B₂(t)，B₃(t)为三个磁传感器在时刻t时刻测得的磁感应强度，

为经LMS滤波器滤波后的磁感应强度，w_1k(t)为LMS算法中第1个传感器设计的权重系数，w_2k(t)为LMS算法中第2个传感器设计的权重系数，w_3k(t)为LMS算法中第3个传感器设计的权重系数；

根据式(4-3)，最后测得的磁感应强度为：

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