CN113820532A - 非接触式双芯电缆电流测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种非接触式双芯电缆电流测量方法、装置、计算机设备和存储介质。所述方法包括：确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，根据磁感应测量值，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。采用本方法实现了基于磁阻传感器芯片的电流传感器能够测量任意双芯线旋转角度的双芯电缆电流。

Description

非接触式双芯电缆电流测量方法和装置

技术领域

本申请涉及电力系统测量技术领域，特别是涉及一种非接触式双芯电缆电流测量方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

随着新一代智能电网对电气量的感知监测提出了更高的要求，传统的电气量测量手段已经难以满足智能电网全面、实时感知信息的基本需求，现有数据采集装置(如电流互感器)由于体积大、成本高、需要外接电源、精度有限以及安装不便等问题，不能实现普遍安装采集，因此，亟需研制低成本、体积小且易安装的非接触式电流传感器。

目前，电力系统的电流测量仍然主要依靠基于电磁耦合原理的电流互感器，现有的基于磁感应芯片(如霍尔、AMR、GMR等)的电流传感器，大多采用一个环状开口磁芯环绕在待测导体上，将磁感应芯片放置在磁芯开口处，并使得磁感应芯片的敏感方向与磁路方向平行，因此这种基于磁感应芯片进行电流测量的方案存在只能测量单一磁路方向的缺陷。

发明内容

基于此，有必要针对传统电流测量方案只能测量单一磁路方向的技术缺陷，提供一种能够测量任意双芯线旋转角度的双芯电缆电流的非接触式双芯电缆电流测量方法、装置、计算机设备和存储介质。

一种非接触式双芯电缆电流测量方法，所述方法包括：

确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，四个磁阻传感器位于位置圆环上，且呈十字形对称分布；

根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，测量导线位于位置圆环中，且为双芯电缆中的两根导线，磁感应测量值分别为B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，且方向垂直于所在的位置圆环的半径；

根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，磁感应测量值的最终值B₁为磁感应测量值B₁’的绝对值和磁感应测量值B₃’的绝对值的平均值，磁感应测量值的最终值B₂为磁感应测量值B₂’的绝对值和磁感应测量值B₄’的绝对值的平均值，磁感应测量值的最终值B₃为磁感应测量值的最终值B₁的相反数，磁感应测量值的最终值B₄为磁感应测量值的最终值B₂的相反数；

根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁；

根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

在其中一个实施例中，还包括：

根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立方程；

通过求解方程，获得双芯线旋转角度θ₁。

在其中一个实施例中，还包括：

根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立一元三次方程；

求解一元三次方程，获得多个解，并从多个解中筛选最优解；

根据最优解，获取双芯旋转角度θ₁。

在其中一个实施例中，还包括：

求解一元三次方程，获得多个解；

根据0≤θ₁≤π，提取多个解中的有效解，得到最优解。

在其中一个实施例中，一元三次方程为：

其中，

在其中一个实施例中，还包括：

根据所诉双芯线旋转角度θ₁，建立双芯电缆电流计算方程；

求解双芯电缆电流计算方程，获得双芯电缆电流I。

在其中一个实施例中，双芯电缆电流计算方程为：

一种非接触式双芯电缆电流测量装置，所述装置包括：

参数获取模块，用于确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’；

磁感应值获取模块，用于根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄；

旋转角度获取模块，用于根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁；

电流获取模块，用于根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，根据磁感应测量值，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，根据磁感应测量值，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

上述非接触式双芯电缆电流测量方法、装置、计算机设备和存储介质，通过对两个相对位置磁阻传感器芯片的磁感应测量值的绝对值求平均来确定磁感应强度的最终值，减少了双芯电缆导线位置偏移带来的测量误差，根据位置圆环半径R、测量导线到位置圆环圆心的距离x、磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I，实现了基于磁阻传感器芯片的电流传感器能够测量任意双芯线旋转角度的双芯电缆电流。

附图说明

图1为一个实施例中非接触式双芯电缆电流测量方法的应用环境图；

图2为一个实施例中非接触式双芯电缆电流测量方法的流程示意图；

图3为一个实施例中非接触式双芯电缆电流测量方法的原理示意图；

图4为另一个实施例中非接触式双芯电缆电流测量方法的流程示意图；

图5为一个实施例中非接触式双芯电缆电流测量装置的结构框图；

图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的非接触式双芯电缆电流测量方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，测量设备104采用非接触方式测量双芯电缆102的电流，双芯电缆102中的两根导线位于位置圆环中，电流方向相反，且垂直于位置圆环所在的平面，测量设备104包含有四个磁阻传感器芯片，且位于位置圆环上，呈十字形对称分布，根据获得的位置圆环的半径、双芯电缆102中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离以及测量设备104中的四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，可以得出双芯线旋转角度以及双芯电缆电流。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种非接触式双芯电缆电流测量方法，以该方法应用于图1中的双芯电缆102和测量设备104为例进行说明，包括以下步骤：

步骤201，确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环。

其中，磁阻传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的，其核心部分采用一片特殊金属材料，其电阻值随外界磁场的变化而变化，通过外界磁场的变化来测量物体的变化或状况。磁阻传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、良好稳定性和可靠性以及无接触测量特点，可进行动态和静态测量，广泛应用于低磁场测量。采用四个呈十字形对称分布的磁阻传感器芯片，沿四个磁阻传感器芯片所在位置，可以确定一个虚拟的位置圆环。

具体地，确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，四个磁阻传感器位于位置圆环上，且呈十字形对称分布。

步骤202，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值。

其中，根据毕奥-萨伐尔定律可知载流导线产生磁场的基本规律是整个闭合回路产生的磁场是各电流元所产生的元磁场dB的叠加，对于载流长直导线的磁场，载流长直导线在真空中对观察点所建立的磁通密度B与导线中电流I成正比，与导线至观察点的距离r₀成反比，其数值为：

电流与磁感应强度的方向成右手螺旋关系。因此，根据四个磁阻传感器确定的位置圆环，将双芯电缆置于位置圆环中，通过四个磁阻传感器可以测量得到双芯电缆中的两根导线在磁阻传感器磁场方向的磁感应强度测量值，磁阻传感器的磁场方向垂直于该磁阻传感器所在的位置圆环的半径。

具体地，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，测量导线位于位置圆环中，且为双芯电缆中的两根导线，磁感应测量值分别为B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，且方向垂直于所在的位置圆环的半径。

步骤203，根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄。

其中，根据右手螺旋定律，即用右手握住通电直导线，让大拇指指向直导线中电流方向，那么四指指向就是通电导线周围磁场的方向，根据毕奥-萨伐尔定律可知一条载流长直导线产生的磁场具有轴对称性，磁感线是在垂直与导线横截面内以导线为中心的一族同心圆，而对于双芯电缆的两条载有相反方向的电流的长直导线来说，这两条载流长直导线各自单独产生的磁场分别只相对于自身轴线轴对称，而合磁场不具有轴对称性，因此，每个磁阻传感器的磁感应测量值是这两条载流长直导线各自单独产生的磁场根据叠加原理得到的合磁场。若双芯电缆的两个待测导线基于位置圆环圆心中心对称，两个待测导线到位置圆环圆心距离相等，根据毕奥-萨伐尔定律，两个相对位置的磁阻测量值大小相等且方向相反，考虑到双芯电缆位置可能有所偏移，如果双芯电缆两条待测导线不在四个磁阻传感器确定的位置圆环正中间，即双芯电缆的两个待测导线非基于位置圆环圆心中心对称，两个待测导线到位置圆环圆心距离不相等，根据毕奥-萨伐尔定律，则获得的两个相对位置的磁阻测量值大小不再相等，因此，将两个相对位置的磁阻测量值的绝对值取平均作为磁感应测量值的最终值。

具体地，根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，磁感应测量值的最终值B₁为磁感应测量值B₁’的绝对值和磁感应测量值B₃’的绝对值的平均值，磁感应测量值的最终值B₂为磁感应测量值B₂’的绝对值和磁感应测量值B₄’的绝对值的平均值，磁感应测量值的最终值B3为磁感应测量值的最终值B₁的相反数，磁感应测量值的最终值B₄为磁感应测量值的最终值B₂的相反数。

步骤204，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁。

其中，双芯电缆两根测量导线中的任意一根导线作用在磁阻传感器的磁场方向称为磁阻传感器的磁敏感方向，磁敏感方向垂直与该磁阻传感器和该测量导线的连线，并符合右手螺旋定则，对于双芯电缆的两根导线来说，磁阻传感器的磁感应测量值是这两条载流长直导线各自单独产生的磁场根据叠加原理得到的合磁场，磁阻传感器磁感应测量值的磁场方向垂直于该磁阻传感器所在的位置圆环半径，由于双芯电缆置于位置圆环任意位置，当磁阻传感器和测量导线的连线与该磁阻传感器所在的位置圆环半径不在一条直线上时，磁阻传感器的磁敏感方向与磁阻传感器磁感应测量值磁场方向存在一个角度偏差，该角度与位置圆环半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x和双芯线的旋转角度θ₁之间符合余弦定理，再根据毕奥-萨伐尔定律，利用获得的磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁。

具体地，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁。

步骤205，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

其中，双芯电缆在位置圆环中引入了旋转角度θ₁，将四个磁阻传感器的任意一个传感器所在的位置圆环的半径与测量导线中任意一根导线的夹角记为双芯线的旋转角度θ₁，根据毕奥-萨伐尔定律和余弦定理，可以获得双芯电缆电流I。

具体地，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

上述非接触式双芯电缆电流测量方法，通过获得磁感应测量值的最终值，减少了双芯电缆导线位置偏移带来的测量误差，根据位置圆环半径R、测量导线到位置圆环圆心的距离x、磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I，实现了基于磁阻传感器芯片的电流传感器能够测量任意双芯线旋转角度的双芯电缆电流。

在一个实施例中，步骤S201中确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，包括：

确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，四个磁阻传感器位于位置圆环上，且呈十字形对称分布。

本实施例中，根据在空间中放置的四个磁阻传感器芯片，四个磁阻传感器芯片呈十字形对称分布，以十字形交点为圆心，沿四个磁阻传感器芯片所在位置，可以确定一个虚拟的位置圆环，磁阻传感器可以测量位置圆环上四处空间磁场。

在非侵入式测量领域，应用较广的磁阻传感器有巨磁阻传感器GMR、各向异性磁阻传感器AMR和隧道磁阻传感器TMR。隧道磁阻传感器TMR集各向异性磁阻传感器AMR的高灵敏度和巨磁阻传感器GMR的宽动态范围优点于一体，在各类磁传感器技术中，隧道磁阻传感器TMR的各项性能指标均远由于其他类型传感器。本发明实施例中对非侵入式双芯电缆电流测量方法采用隧道磁阻传感器TMR，优选的，采用四个单轴隧道磁阻传感器TMR。

上述实施例的方案，通过确定四个磁阻传感器的位置圆环，四个磁阻传感器位于位置圆环上，且呈十字形对称分布，磁阻传感器可以测量位置圆环上四处空间磁场，为实现磁阻传感器测量任意双芯线旋转角度下的双芯电缆电流打下基础。

在一个实施例中，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值的步骤包括：

本实施例中，根据位置圆环，可以获取到位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x，将双芯电缆放置在位置圆环中，四个磁阻传感器可以分别测量得到双芯电缆在四处的磁感应测量值。在双芯电缆两根导线的共同作用下，每个磁阻传感器的磁感应测量值为双芯电缆两根导线在该处磁阻传感器磁场方向上的磁感应强度的叠加值，将四个磁阻磁感应器的磁感应测量值分别记为B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，根据右手螺旋定则，四个磁阻传感器的磁场方向分别垂直于所在的位置圆环的半径。由于每个磁阻传感器的测量值都是双芯电缆两根导线在该处磁阻传感器磁场方向上的磁感应强度的叠加值，确保了磁阻传感器可以测量任意双芯线旋转角度下的磁感应强度。上述实施例的方案，通过根据四个磁阻传感器确定的位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x和四个磁阻传感器在磁场方向的磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，其中每个磁阻传感器的测量值都是双芯电缆两根导线在该处磁阻传感器磁场方向上的磁感应强度的叠加值，确保了磁阻传感器可以测量任意双芯线旋转角度下的磁感应强度，为实现基于四个磁阻传感器的非接触式双芯电缆电流传感器可以测量任意的双芯线旋转角度下的双芯电缆电流提供了前提。

在一个实施例中，根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄步骤包括：

本实施例中，双芯电缆中的两根导线可以有任意的旋转角度，且在位置圆环中处于任意位置，当双芯电缆的两根导线基于位置圆环圆心中心对称，两个相对位置的磁阻测量值大小相等且方向相反，当双芯电缆的两个待测导线非基于位置圆环圆心中心对称，则获得的两个相对位置的磁阻测量值大小不再相等。因此，将两个相对位置的磁阻测量值的绝对值取平均作为磁感应测量值的最终值可以减小误差，即磁感应测量值的最终值B₁取磁感应测量值B₁’的绝对值和磁感应测量值B₃’的绝对值的平均值，磁感应测量值的最终值B₂取磁感应测量值B₂’的绝对值和磁感应测量值B₄’的绝对值的平均值，而磁感应测量值的最终值B₃和磁感应测量值的最终值B₄分别与磁感应测量值的最终值B₁和磁感应测量值的最终值B₂大小相等且方向相反，磁感应测量值的最终值B₃取磁感应测量值的最终值B₁的相反数，磁感应测量值的最终值B₄取磁感应测量值的最终值B₂的相反数。

上述实施例的方案，根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，将两个相对位置的磁阻测量值的绝对值取平均作为磁感应测量值的最终值，这种求平均值获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄的方法可以减少双芯电缆位置偏移带来的磁阻测量值结果误差，考虑到装置可以利用夹具固定，双芯电缆的振动可以忽略不计，因此认为导线位置偏移较小，在偏移较小时，利用这种方法提高了基于磁阻传感器的电流传感器测量双芯电缆电流的精度。

在一个实施例中，通过位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁的步骤包括：

本实施例中，由于磁阻传感器的磁敏感方向与磁阻传感器磁感应测量值磁场方向存在一个偏差角度，根据磁阻传感器的磁敏感方向垂直于磁阻传感器和双芯电缆中任意一根导线的连线，磁阻传感器测量的磁场方向垂直于该磁阻传感器所在的位置圆环半径，因此，该磁阻传感器和双芯电缆中任意一根导线的连线与磁阻传感器所在的位置圆环半径之间的夹角等于该角度偏差。利用第一次余弦定理，建立位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x、磁阻传感器到双芯电缆任意一根导线的距离以及磁阻传感器的磁敏感方向与磁阻传感器磁感应测量值磁场方向偏差角度的关系，利用第二次余弦定理，建立位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x、磁阻传感器到双芯电缆任意一根导线的距离以及双芯线旋转角度的关系，根据比奥-萨法尔定律，建立磁阻传感器到双芯电缆任意一根导线的距离、磁阻传感器的磁敏感方向与磁阻传感器磁感应测量值磁场方向偏差角度和磁感应测量值的最终值的关系，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄的关系，可获得双芯线旋转角度θ₁。

上述实施例的方案，根据位置圆环和双芯电缆两根导线之间的位置关系，利用两次余弦定理，建立位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x、磁阻传感器的磁敏感方向与磁阻传感器磁感应测量值磁场方向的偏差角度和磁阻传感器到双芯电缆任意一根导线的距离的关系，根据毕奥-萨伐尔定律，建立磁阻传感器到双芯电缆任意一根导线的距离、磁阻传感器的磁敏感方向与磁阻传感器磁感应测量值磁场方向偏差角度和磁感应测量值的最终值的关系，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄的关系，获得双芯线旋转角度θ₁，该方法利用磁阻传感器测量双芯线四个方向的磁感应强度，获得了双芯线旋转角度，为实现基于磁阻传感器的电流传感器测量任意双芯线旋转角度的双芯线电流打下基础。

在一个实施例中，通过双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I的步骤包括：

本实施例中，根据获得的双芯线旋转角度θ₁，利用毕奥-萨伐尔定律和余弦定理，建立双芯电缆电流与位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x、双芯线旋转角度θ₁以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄的关系，获得双芯电缆电流I。

上述实施例的方案，根据获得的双芯线旋转角度θ₁，利用毕奥-萨伐尔定律和余弦定理，建立双芯电缆电流与位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x、双芯线旋转角度θ₁以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄的关系，获得双芯电缆电流I。实现了基于磁阻传感器的电流传感器测量任意双芯线旋转角度的双芯线电流。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种非接触式双芯电缆电流测量方法，该方法包括：

步骤301，确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄。

步骤302，将根据位置圆环的半径R、测量导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立方程，通过求解方程，获得双芯线旋转角度θ₁。

步骤303，根据位置圆环的半径R、测量导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立一元三次方程；求解一元三次方程，获得多个解，并从多个解中筛选最优解；根据最优解，获取双芯旋转角度θ₁。

步骤304，求解一元三次方程，获得多个解；根据0≤θ₁≤π，提取多个解中的有效解，得到最优解，一元三次方程为：

其中，

步骤305，通过根据双芯线旋转角度θ₁，建立双芯电缆电流计算方程，求解双芯电缆电流计算方程，获得双芯电缆电流I，双芯电缆电流计算方程为：

本实施例中，通过对两个相对位置磁阻传感器芯片的磁感应测量值的绝对值求平均来确定磁感应强度的最终值，减少了双芯电缆导线位置偏移带来的测量误差，根据位置圆环半径R、测量导线到位置圆环圆心的距离x、磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I，实现了基于磁阻传感器芯片的电流传感器能够测量任意双芯线旋转角度的双芯电缆电流。

应该理解的是，虽然图2-3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2-3中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

为了更加详细说明本申请非接触式双芯电缆电流测量方法的技术方案及其效果，下面将采用一个具体应用实例展开说明，如图4所示的技术原理，本申请非接触式双芯电缆电流测量方法包括：

本实施例中，T₁、T₂、T₃和T₄分别代表空间放置的四个单轴TMR隧道磁电阻传芯片，四个TMR芯片的位于一个位置圆环上，且呈十字形对称分布，即TMR芯片T₁和T₂、T₂和T₃、T₃和T₄、T₄和T₁所在的位置圆环半径的夹角A的大小均为π/2，TMR芯片T₁和T₃以及T₂和T₄所在的位置圆环半径的夹角B的大小均为π，双芯电缆的两个待测导线L₁和L₂位于位置圆环中，电流方向相反，且垂直与位置圆环所在的平面。通过测量得到位置圆环的半径为R，测量导线L₁到位置圆环圆心的距离为x，四个TMR芯片的磁感应测量值分别为B₁’、B₂’、B₃’、B₄’，且方向分别垂直于所在的位置圆环的半径。将TMR芯片T₁、T₂、T₃和T₄所在的位置圆环半径与测量导线L₁所在的位置圆环半径的夹角分别记为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，其中θ₁也称为双芯电缆的旋转角度，将TMR芯片T₁、T₂、T₃和T₄到测量导线L₁的距离分别记为y₁、y₂、y₃、y₄，将TMR芯片T₁、T₂、T₃和T₄磁感应测量值的方向与磁敏感方向的夹角分别记为α₁、α₂、α₃、α₄，磁敏感方向是测量导线L₁在四个TMR芯片位置的磁感应方向，根据右手螺旋定则，磁敏感方向分别垂直与该TMR芯片到测量导线L₁的连线。

根据四个TMR芯片位于一个位置圆环上，且呈十字形对称分布，可知：θ₂＝A-θ₁、θ₃＝B-θ₁、θ₄＝A+θ₁。TMR芯片T₁的磁感应测量值为导线L₁和L₂在芯片T₁磁敏感方向上产生的磁感应强度的合磁场，当双芯电缆两根测量导线相对位置圆环的圆心中心对称时，根据比奥-萨法尔定律，可以得出：

B₁'＝(I/y₁×cosα₁-I/y₃×cosα₃)×M，其中

同理得出，

B₂'＝(I/y₂×cosα₂-I/y₄×cosα₄)×M

B₃'＝(I/y₃×cosα₃-I/y₁×cosα₁)×M＝-B₁

B₄'＝(I/y₄×cosα₄-I/y₂×cosα₂)×M＝-B₂。

根据余弦定理，可以得出：

再次根据余弦定理，可以得出：

联立上述公式，可以得到如下关于sin²θ₁的一元三次方程：

a(sin²θ₁)³+b(sin²θ₁)²+c(sin²θ₁)+d＝0；

其中，

以及双芯电缆电流I的计算方程：

利用eig(A)函数求矩阵特征值和特征向量的方法，获得关于sin²θ₁的一元三次方程

的三个解，其中，

求解eig(A),得到的所有特征值即为关于sin²θ₁一元三次方程a(sin²θ₁)³+b(sin²θ₁)²+c(sin²θ₁)+d＝0的三个解。显然sin²θ₁的解为取值实数的特征值，为避免计算误差，根据0≤θ₁≤π，sin²θ₁需要满足以下条件，0≤sin²θ₁≤1，且如果sin²θ₁≠0，需要满足虚部/实部＜0.1，根据sin²θ₁需要满足的条件，筛选出的sin²θ₁的解，求出θ₁，将θ₁带入双芯电缆电流I的计算方程，可以得到双芯电缆电流I的值。

当双芯电缆两根测量导线相对位置圆环的圆心非中心对称时，两个相对位置的TMR芯片的磁感应测量值大小不再相等，装置可以利用夹具固定，双芯电缆的振动可以忽略不计，测量导线位置偏移较小，将两个相对位置的TMR芯片的磁感应测量值大小取平均值的方式消除误差，得到磁感应测量值的最终值，即B₁＝|B₁'|+|B₃'|、B₂＝|B₂'|+|B₄'|、B₃＝-B₁、B₄＝-B₂。同样的，该方法通过对相对位置的磁感应测量值求平均值，得到磁感应测量值的最终值的方法，同样适用于双芯电缆两根测量导线相对位置圆环的圆心中心对称的场景。因此，上述双芯电缆两根测量导线相对位置圆环的圆心中心对称的场景获得θ₁以及双芯电缆电流I的方法，同样适用于双芯电缆两根测量导线相对位置圆环的圆心非中心对称的场景。

上述实施例的方案，通过确定四个隧道磁阻传感器TMR芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，根据磁感应测量值，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。上述方案，通过对两个相对位置磁阻传感器芯片的磁感应测量值的绝对值求平均来确定磁感应强度的最终值，减少了双芯电缆导线位置偏移带来的测量误差，根据位置圆环半径R、测量导线到位置圆环圆心的距离x、磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃、B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I，实现了基于TMR磁阻传感器芯片的电流传感器能够测量任意双芯线旋转角度的双芯电缆电流。

在一个实施例中，如图5所示，提供了一种非接触式双芯电缆电流测量装置，该装置500包括：浓度参数获取模块、一回路稀释模块、状态参数获取模块和试验条件判断模块，其中：

参数获取模块501，用于确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线到位置圆环的圆心距离x以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’；

磁感应值获取模块502，用于根据磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄；

旋转角度获取模块503，用于根据位置圆环的半径R、测量导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁；

电流获取模块504，用于根据双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

在一个实施例中，磁感应值获取模块502还用于对磁感应测量值B₁’的绝对值和磁感应测量值B₃’的绝对值求平均值，获得磁感应测量值的最终值B₁，对磁感应测量值B₂’的绝对值和磁感应测量值B₄’的绝对值求平均值，获得磁感应测量值的最终值B₂，对磁感应测量值的最终值B₁求相反数，获得磁感应测量值的最终值B₃，对磁感应测量值的最终值B₂求相反数，获得磁感应测量值的最终值B₄。

在一个实施例中，旋转角度获取模块503还用于根据位置圆环的半径R、测量导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立方程，通过求解方程，获得双芯线旋转角度θ₁；根据位置圆环的半径R、测量导线到位置圆环的圆心距离x以及磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立一元三次方程，求解一元三次方程，获得多个解，并从多个解中筛选最优解，根据最优解，获取双芯旋转角度θ₁。

在一个实施例中，电流获取模块504还用于根据所诉双芯线旋转角度θ₁，建立双芯电缆电流计算方程，求解双芯电缆电流计算方程，获得双芯电缆电流I。

在一个实施例中，上述非接触式双芯电缆电流测量装置500进一步用于求解一元三次方程，获得多个解，根据0≤θ₁≤π，提取多个解中的有效解，得到最优解。

关于非接触式双芯电缆电流测量装置的具体限定可以参见上文中对于非接触式双芯电缆电流测量方法的限定，在此不再赘述。上述非接触式双芯电缆电流测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储非接触式双芯电缆电流数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种非接触式双芯电缆电流测量方法。

本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种非接触式双芯电缆电流测量方法，其特征在于，所述方法包括：

确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，所述四个磁阻传感器位于所述位置圆环上，且呈十字形对称分布；

根据所述位置圆环，获取所述位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，所述测量导线位于所述位置圆环中，且为双芯电缆中的两根导线，所述测量导线的电流方向垂直于所述位置圆环所在平面，所述磁感应测量值分别为B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，且方向垂直于所在的所述位置圆环的半径；

根据所述磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，所述磁感应测量值的最终值B₁为所述磁感应测量值B₁’的绝对值和所述磁感应测量值B₃’的绝对值的平均值，所述磁感应测量值的最终值B₂为所述磁感应测量值B₂’的绝对值和所述磁感应测量值B₄’的绝对值的平均值，所述磁感应测量值的最终值B₃为所述磁感应测量值的最终值B₁的相反数，所述磁感应测量值的最终值B₄为所述磁感应测量值的最终值B₂的相反数；

根据所述位置圆环的半径R、所述测量导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁；

根据所诉双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

2.根据权利要求1所述的非接触式双芯电缆电流测量方法，其特征在于，所述根据所述位置圆环的半径R、所述测量导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁，包括：

根据所述位置圆环的半径R、所述测量导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立方程；

通过求解所述方程，获得双芯线旋转角度θ₁。

3.根据权利要求2所述的非接触式双芯电缆电流测量方法，其特征在于，所述根据所述位置圆环的半径R、所述测量导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立方程，包括：

根据所述位置圆环的半径R、所述测量导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，建立一元三次方程；

求解所述一元三次方程，获得多个解，并从所述多个解中筛选最优解；

根据所述最优解，获取双芯旋转角度θ₁。

4.根据权利要求3所述的非接触式双芯电缆电流测量方法，其特征在于，所述求解所述一元三次方程，获得多个解，并从所述多个解中筛选最优解，包括：

求解所述一元三次方程，获得多个解；

根据0≤θ₁≤π，提取所述多个解中的有效解，得到最优解。

5.根据权利要求3所述的非接触式双芯电缆电流测量方法，其特征在于，所述一元三次方程为：

其中，

6.根据权利要求1所述的非接触式双芯电缆电流测量方法，所述根据所述双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I，其特征在于，

根据所诉双芯线旋转角度θ₁，建立双芯电缆电流计算方程；

求解所述双芯电缆电流计算方程，获得双芯电缆电流I。

7.根据权利要求6所述的非接触式双芯电缆电流测量方法，其特征在于，所述双芯电缆电流计算方程为：

8.一种非接触式双芯电缆电流测量装置，其特征在于，所述装置包括：

参数获取模块，用于确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取所述位置圆环的半径R、测量导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’；

磁感应值获取模块，用于根据所述磁感应测量值B₁’、B₂’、B₃’和B₄’，获得所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄；

旋转角度获取模块，用于根据所述位置圆环的半径R、所述测量导线到所述位置圆环的圆心距离x以及所述磁感应测量值的最终值B₁、B₂、B₃和B₄，获得双芯线旋转角度θ₁；

电流获取模块，用于根据所诉双芯线旋转角度θ₁，获得双芯电缆电流I。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

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