CN113899943A - 一种电流传感器、基于差分测量的电流测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流传感器、基于差分测量的电流测量装置及方法，通过差分测量的方式，使用两个隧道磁阻敏感芯片，在开合式磁芯的两个开口处进行测量，如果有外在环境磁场干扰，磁芯处的两个敏感单元所测量到的信号为方向相同，大小相等的共模信号，磁芯内的电流通过导线所产生的磁场信号为方向相反，大小相等的差模信号，通过减法运算即可滤除共模干扰，放大差模信号，通过测量到的磁场大小推算出导线内通过的电流值，这种测量方式可有效滤除外界磁场干扰，提高测量精度，解决了隧道磁阻电流传感器易受外界环境磁场干扰的问题。

Description

一种电流传感器、基于差分测量的电流测量装置及方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种电流传感器、基于差分测量的电流测量装置及方法。

背景技术

智能电网是一个高效、清洁、经济、智能的现代化电力网络，先进的传感和测量技术是实现智能电网实时监测、系统调控、分析决策和故障预警的基础，是电网智能化的核心技术。电流作为电网中最基本的状态量，其测量技术对智能电网的发展至关重要。电力系统中的电流幅值和频率分布范围大，需要根据不同电流的特点选择合适的传感器进行测量，微弱电流监测场景主要包括线路绝缘子、输电导线绝缘层、变电站避雷器和变压器铁芯等接地装置的泄漏电流监测，此类电流的特性是幅值很小，不同状态下其大小从几十A到几mA，且一直存在，对监测传感装置提出了较高的要求。传统的电流互感器、罗科夫斯基线圈、霍尔电流传感器等电流传感器无法保证该量程范围内测量的精度和稳定性，亟待性能更优异的电流传感器。

相比之下，基于隧道磁阻效应(TMR)的电流传感器具有体积小、灵敏度高、精度高、可集成度高、功耗低、能够测量直流和交流的宽测量范围等优势。隧道磁组电流传感器包括隧道磁阻芯片、聚磁体、信号调理电路、模数转换电路、信号处理电路、数据传输电路、电源电路等部分。待测导线中的电流在周围空间产生磁场，聚磁体对空间磁场进行聚磁作用，隧道磁阻芯片位于在聚磁体开口处，其内部电桥电阻发生变化并进一步转换为电压信号，该信号通过信号调理电路进行放大、滤波后，再通过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，信号处理电路通过微处理器对数字信号进行采集，并计算出流经待测导线电流的幅值、频率等信息，数据传输电路通过传输芯片将测量结果发送出去，电源电路对各部分电路进行供电管理。

由于该类型电流传感器的测量原理是通过对空间磁场的检测来实现对电流测量，所以，当有外磁场干扰存在时，如地磁场、低频脉冲干扰等，必定会对测量结果有影响，在实际应用中，通常采用屏蔽措施来滤除干扰，但是会导致电流传感器体积变大，且滤除干扰不彻底，无法保证最终的测量精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有TMR电流传感器因地磁场、低频脉冲干扰等环境磁场所带来干扰的问题，提供一种电流传感器、基于差分测量的电流测量装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种电流传感器，包括：

聚磁体，所述聚磁体包括第一聚磁环和第二聚磁环，第一聚磁环和第二聚磁环对接形成开合式矩形结构，且对接处留有缝隙；待测导线穿过聚磁体的中心，聚磁体能够聚集电流流过待测导线所产生的磁通量；

TMR芯片，所述TMR芯片包括第一TMR芯片和第二TMR芯片，第一TMR芯片和第二TMR芯片对称设置于第一聚磁环和第二聚磁环的对接处，用于测量对接缝隙处的磁通量，第一TMR芯片和第二TMR芯片所感应的磁场信号大小相等、方向相反。

上述电流传感器的进一步改进在于：

所述第一聚磁环和第二聚磁环均为U型结构，且开口相对设置。

所述TMR芯片的敏感方向垂直于磁场方向，将磁场信号转换为电压信号。

一种基于差分测量的电流测量装置，包括：

信号调理模块，所述信号调理模块与TMR芯片相连，用于将由TMR芯片所感应到的电压信号进行放大滤波处理，并发送给模数转换模块；

模数转换模块，所述模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号，并发送给微处理器；

微处理器，所述微处理器采集模数转换器发送的数字信号，区分数字信号中的直流分量和交流分量，并计算直流分量的幅值，以及交流分量的幅值和频率值，再将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值发送给数据传输模块；

数据传输模块，所述数据传输模块用于将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值数据上传；

电源模块，所述电源模块用于为信号调理模块、模数转换模块、微处理器和数据传输模块供电。

上述电流测量装置的进一步改进在于：

所述信号调理模块包括第一信号调理模块和第二信号调理模块，模数转换模块包括第一模数转换模块和第二模数转换模块；

第一TMR芯片与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与第一模数转换模块相连，第一模数转换模块与微处理器相连；第二TMR芯片与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与第二模数转换模块相连，第二模数转换模块与微处理器相连。

一种电流测量方法，包括以下步骤：

测量聚磁体对接缝隙处的磁通量，得到磁场信号；

将磁场信号转换为电压信号；

对电压信号进行放大滤波处理；

将放大滤波处理后的模拟信号转换为数字信号；

对数字信号进行计算处理，区分出直流分量和交流分量，分别计算直流分量的幅值，以及交流分量的幅值和频率值；

将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值的数据打包上传。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过差分测量的方式，使用两个隧道磁阻敏感芯片，在开合式磁芯的两个开口处进行测量，如果有外在环境磁场干扰，磁芯处的两个敏感单元所测量到的信号为方向相同，大小相等的共模信号，磁芯内的电流通过导线所产生的磁场信号为方向相反，大小相等的差模信号，通过减法运算即可滤除共模信号，放大差模信号，由测量到的磁场大小推算出导线内通过的电流值，这种测量方式可有效滤除外界磁场干扰，提高测量精度，解决隧道磁阻电流传感器易受外界环境磁场干扰的问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明电流传感器的结构示意图。

图2为本发明整体架构的示意图。

图3为本发明测量原理的示意图。

图4为本发明抗干扰测量原理示意图。

其中：1-待测导线，2-第一聚磁环，3-第一TMR芯片，4-第二TMR芯片，5-第二聚磁环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种电流传感器，包括聚磁体和TMR芯片；所述聚磁体包括第一聚磁环2和第二聚磁环5，第一聚磁环2和第二聚磁环5对接形成开合式矩形结构，且对接处留有缝隙；所述第一聚磁环2和第二聚磁环5均为U型结构，且开口相对设置。待测导线1穿过聚磁体的中心，聚磁体能够聚集待测导线周围的磁通量；所述TMR芯片的敏感方向垂直于磁场方向，将磁场信号转换为电压信号。所述TMR芯片包括第一TMR芯片3和第二TMR芯片4，第一TMR芯片3和第二TMR芯片4对称设置于第一聚磁环2和第二聚磁环5的对接处，用于测量对接缝隙处的磁通量，第一TMR芯片3和第二TMR芯片4所感应的磁场信号大小相等、方向相反。

本发明实施例还公开了一种基于差分测量的电流测量装置，包括：

信号调理模块，所述信号调理模块与TMR芯片相连，用于将对电压信号进行放大滤波处理，并发送给模数转换模块；所述信号调理模块包括第一信号调理模块和第二信号调理模块；

模数转换模块，所述模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号，并发送给微处理器；模数转换模块包括第一模数转换模块和第二模数转换模块；

第一TMR芯片3与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与第一模数转换模块相连，第一模数转换模块与微处理器相连；第二TMR芯片4与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与第二模数转换模块相连，第二模数转换模块与微处理器相连。

微处理器，所述微处理器采集模数转换器发送的数字信号，区分数字信号中的直流分量和交流分量，并计算直流分量的幅值，以及交流分量的幅值和频率值，再将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值发送给数据传输模块；

数据传输模块，所述数据传输模块用于将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值数据上传；

电源模块，所述电源模块用于为信号调理模块、模数转换模块、微处理器和数据传输模块供电。

本发明实施例还公开了一种电流测量方法，包括以下步骤：

测量聚磁体对接缝隙处的磁通量，得到磁场信号；

将磁场信号转换为电流信号；

对电压信号进行放大滤波处理；

将放大滤波处理后的模拟信号转换为数字信号；

对数字信号进行计算处理，区分出直流分量和交流分量，分别计算直流分量的幅值，以及交流分量的幅值和频率值；

将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值的数据打包上传。

本发明的工作原理：

本发明通过差分测量方式可抗外磁场干扰的隧道磁阻电流传感器硬件由聚磁环上半部分和下半部分组成、两个TMR敏感芯片、两路信号调理模块、两个模数转换模块、微处理器、数据传输模块、电源模块等组成，如图2所示。本发明中，待测电流导线穿过矩形的聚磁体，由聚磁体将待测电流导线周围的磁通量聚集，TMR芯片位于上下两部分聚磁体对接处，测量聚磁体对接缝隙处的磁通量，TMR芯片的敏感方向垂直于将磁场信号转换为电压信号，后续经过信号处理电路将信号放大滤波，模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，由微处理器采集处理，区分出直流分量和交流分量，分别算出直流分量的幅值和交流分量的幅值和频率值数据传输模块将测量结果打包上传。

根据安培定则可知，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。为了增强该磁场，通常使用具有气隙的聚磁体来集中磁通量，进而起到增加测量灵敏度和屏蔽外部场并减小测量电流的位置影响的作用。由于电力系统中电流测量场景大多为针对矩形导电铜排进行，所以设计聚磁结构为开合式矩形结构，如图3所示，矩形聚磁体分为上下两部分，实际应用时该电流传感器为开合式安装，使用方便。聚磁结构中间通过电流导线时，聚磁体内虚线为磁通量，箭头表示磁通方向，在上下聚磁体中间留很小缝隙，放置同型号TMR芯片，由磁通方向可知，TMR芯片所感应的磁场信号大小相等，方向相反。磁场信号可转换为幅值、频率大小相等，相位相差180°的电压信号，该电压信号通过信号调理、模数转换之后再进行差分运算，即可得到与导线电流同频率、大小具有一定线性关系、同相位的电压信号，TMR芯片灵敏度单位一般为mV/V/Oe，即每单位Oe(奥斯特)磁场环境下，TMR芯片供电电压为1V时，芯片所测量到的mV电压信号。通过Ansys仿真所设计的聚磁结构和通电导线电流的对应线性关系，得出通电导线中每安培电流所产生的磁场强度值。测量得到的电压信号除以信号调理模块的电路放大倍数，得到敏感芯片输出的原始电压信号，再除以敏感芯片的供电电压，再除以芯片的灵敏度，最后除以电流在该聚磁结构下的对应的磁场强度，即可得到流经导线的电流值。

如果有外部干扰磁场，如图4所示，聚磁体可以对外部磁场的干扰起一定的屏蔽作用，但不能完全消除其干扰，外部磁场B2叠加在聚磁体聚集的磁场B上，如果TMR敏感方向为第一聚磁环到第二聚磁环垂直方向，那么第一TMR芯片所感应到的磁场大小为B+B2，第二TMR芯片所感应到的磁场大小为-B+B2，差分相减，即可消除外部干扰磁场B2的影响。

本发明电流测量装置安装在变电站变压器铁芯接地母排处，监测接地电流，如接地电流出现突然异常变大或突然变小，立即上传报警信号至监测平台，检修人员对变压器进行详细检查，排除故障隐患。

本发明电流测量装置安装在变电站避雷器接地母排处，监测主变线路区域的避雷器泄漏电流、全波电流、雷击次数等信号，判断避雷器老化和绝缘状况。

本发明基于差分测量方式的隧道磁阻电流传感器，通过双TMR在第一聚磁环下两部分对接处进行磁场测量，可抗外磁场干扰，可提高聚磁体环形面积内导线或母排导电电流的测量精度。

本发明实施例还提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。

本发明一实施例提供的终端设备，该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也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计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (8)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括：

聚磁体，所述聚磁体包括第一聚磁环(2)和第二聚磁环(5)，第一聚磁环(2)和第二聚磁环(5)对接形成开合式矩形结构，且对接处留有缝隙；待测导线(1)穿过聚磁体的中心，聚磁体能够聚集电流流过待测导线所产生的磁通量；

TMR芯片，所述TMR芯片包括第一TMR芯片(3)和第二TMR芯片(4)，第一TMR芯片(3)和第二TMR芯片(4)对称设置于第一聚磁环(2)和第二聚磁环(5)的对接处，用于测量对接缝隙处的磁通量，第一TMR芯片(3)和第二TMR芯片(4)所感应的磁场信号大小相等、方向相反。

2.根据权利要求1所述的基于差分测量的电流传感器，其特征在于，所述第一聚磁环(2)和第二聚磁环(5)均为U型结构，且开口相对设置。

3.根据权利要求1所述的基于差分测量的电流传感器，其特征在于，所述TMR芯片的敏感方向垂直于磁场方向，将磁场信号转换为电压信号。

4.一种采用权利要求1-3任一项所述电流传感器的基于差分测量的电流测量装置，其特征在于，包括：

信号调理模块，所述信号调理模块与TMR芯片相连，用于将由TMR芯片所感应到的电压信号进行放大滤波处理，并发送给模数转换模块；

模数转换模块，所述模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号，并发送给微处理器；

微处理器，所述微处理器采集模数转换器发送的数字信号，区分数字信号中的直流分量和交流分量，并计算直流分量的幅值，以及交流分量的幅值和频率值，再将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值发送给数据传输模块；

数据传输模块，所述数据传输模块用于将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值数据上传；

电源模块，所述电源模块用于为信号调理模块、模数转换模块、微处理器和数据传输模块供电。

5.根据权利要求4所述的电流测量装置，其特征在于，所述信号调理模块包括第一信号调理模块和第二信号调理模块，模数转换模块包括第一模数转换模块和第二模数转换模块；

第一TMR芯片(3)与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与第一模数转换模块相连，第一模数转换模块与微处理器相连；第二TMR芯片(4)与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与第二模数转换模块相连，第二模数转换模块与微处理器相连。

6.一种电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量聚磁体对接缝隙处的磁通量，得到磁场信号；

将磁场信号转换为电压信号；

对电压信号进行放大滤波处理；

将放大滤波处理后的模拟信号转换为数字信号；

对数字信号进行计算处理，区分出直流分量和交流分量，分别计算直流分量的幅值，以及交流分量的幅值和频率值；

将直流分量的幅值、交流分量的幅值和频率值的数据打包上传。

7.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求6所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6所述方法的步骤。

Images