CN113933573B - 一种宽量程高精度闭环电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽量程高精度闭环电流传感器，磁分流结构对原边被测电流产生的信号磁场进行分流和衰减，磁传感芯片与集成式反馈板紧贴磁分流结构内壁并处于内壁中心位置，磁传感芯片可感知和检测经过分流和衰减后的信号磁场，仪表放大器与功率放大器将磁传感芯片输出的电压信号进行放大并转换为电流信号，电流信号流经平面螺旋反馈线圈形成反馈电流，反馈电流产生与信号磁场方向相反、大小相近的反馈磁场，构成闭环结构。仪表放大器输出的电压信号经模数转换器转换后输出至单片机；本发明扩展了磁传感芯片的工作范围，提高了电流传感器的工作量程及线性度，具有量程宽、精度高、稳定性好、便于安装维护等优点。
Description
技术领域
本发明属于电流传感器应用技术领域，涉及一种宽量程高精度闭环电流传感器。
背景技术
当前电流传感器在智能电网、光伏、新能源汽车、军工、医疗等多领域得到广泛应用。以智能电网为例，其使用的电流传感器应当具有量程大、精度高和便于安装维护等特点，目前较为成熟的电流传感器均不能同时满足上述要求。例如霍尔电流传感器广泛应用在大电流测量领域，但其灵敏度低、线性度差，不能用于高精度电流检测；光纤电流传感器具有灵敏度高、精度高、量程大等优点，但其光源昂贵、信号处理技术复杂，对外界震动、温度变化较敏感；磁通门电流传感器能够测量微小电流，但量程偏小，且造价昂贵、体积较大。此外，传统的宽量程闭环式电流传感器需要在铁芯上环绕大量线圈，制造复杂、绝缘困难，并且随着绝缘等级的提高成本显著增加。
自旋传感芯片具有灵敏度高、线性度好、尺寸小和功耗小等优点，在电流传感器应用方面具有广阔的应用前景。例如授权公告号为CN 106018919 B的名称为一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器的发明专利，为了实现宽量程和高精度测量，使用了两个磁电阻传感芯片，分别为高灵敏度TMR传感芯片和低灵敏度TMR传感芯片。高灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的开口气隙处，在磁环上绕有补偿线圈，构成闭环结构，用于测量微小电流；低灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环的外部，采用开环结构，用于测量大电流。该发明专利在大电流测量时使用开环结构，尽管可以避免在磁环上环绕大量补偿线圈，但开环结构极易受外界干扰影响，导致精度不高，且量程有限，仅能达到数千安培，同时由于低灵敏度TMR传感芯片置于开口磁环外部，使得整个电流传感器不便于安装、固定。目前电流传感器领域仍然存在的技术需求和挑战是如何在宽量程下实现高精度检测，且便于安装维护，本发明技术提出了一种宽量程高精度闭环电流传感器，可以达到宽量程、高精度电流检测的有益效果。
发明内容
本发明的目的就是提供一种宽量程高精度闭环电流传感器。
本发明包括磁分流结构、原边载流导线、集成式传感探头和信号反馈电路板(包括磁传感芯片和信号反馈线圈)、仪表放大器、功率放大器、模数转换器以及单片机。
所述的磁分流结构采用软磁材料制作，套置在原边载流导线外，其作用是将原边被测电流产生的信号磁场进行分流和衰减，扩大电流传感器的检测范围，实现宽量程检测；
所述的原边载流导线为铜质金属长导线，位于磁分流结构中心轴线位置，用于承载原边被测电流；
所述的集成式传感探头和信号反馈电路板由磁传感探头和集成式信号反馈电路板集成在一起组成，设置在紧贴磁分流结构的内壁处，其中磁传感探头采用磁电阻传感芯片，感应原边信号电流产生的磁场信号并将信号磁场转换为电压信号，并输出给后续的仪表放大器，传感探头具有高灵敏度，便于检测微小信号磁场；
所述的集成式信号反馈电路板上集成有平面螺旋信号反馈线圈，信号反馈线圈在信号反馈电流驱动下为电流传感器的传感探头提供在位的闭环反馈磁场信号；
所述的仪表放大器设置在磁传感芯片输出端，用于对磁传感芯片输出的电压信号放大，并通过两路信号分别输出给功率放大器和模数转换器；
所述的功率放大器设置在仪表放大器输出端，用于将仪表放大器输出的电压信号转换为电流信号，并输出给信号反馈线圈产生闭环反馈信号电流，实现电流传感器的高精度检测；
所述的模数转换器设置在仪表放大器输出端，其与功率放大器为并联形式，模数转换器将仪表放大器输出的电压信号转换为数字信号，并输出至后端的单片机。
所述的单片机是STM32单片机，对模数转换器输出的数字信号进行数据处理，从而获得待测的原边信号电流的大小和频率等信息，还可进一步通过数字式平均算法提高电流传感器检测精度。
所述的磁分流结构由多段弧形磁芯构成，弧形磁芯沿圆周方向等间距设置，相邻弧形磁芯之间设置有空气间隙。
所述的集成式信号反馈电路板集成有平面螺旋信号反馈线圈，平面螺旋反馈线圈由两个或多个平面矩形螺旋线圈串联而成。
所述的磁传感芯片位于平面螺旋信号反馈线圈中心位置，其敏感轴与平面螺旋反馈线圈长边垂直。
所述的磁分流结构采用镍系、钴系或铁系软磁材料。
所述的磁传感芯片选用巨磁电阻传感芯片、各向异性磁电阻传感芯片或隧道结磁电阻传感芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.宽量程。本发明采用四段弧形磁芯构成磁分流结构，相邻弧形磁芯间开有宽度相同的气隙，增大了磁路的磁阻，使得在原边电流达到万安级别时，磁芯不饱和，同时将磁传感芯片和集成式反馈板置于磁芯内壁中心位置并紧贴磁芯内壁，磁分流结构能够极大地衰减原边电流在磁传感芯片处产生的信号磁场。
2.高精度。本发明在电流传感器全量程范围内采用闭环方案，反馈磁场与原边电流产生的信号磁场方向相反、大小相近，使得磁传感芯片处的磁场接近零磁通状态，可有效抑制环境和电流传感器自身的噪声，提高电流传感器的稳定性和精确度。
3.便于安装。本发明采用集成式反馈板方案，反馈线圈结构简单、体积较小，并且将反馈线圈集成在印刷电路板上，便于加工制作，避免了传统方案中需要在磁芯上环绕大量线圈带来的加工难、安装难和绝缘难的问题。
附图说明
图1为本发明整体系统示意图；
图2为弧形磁芯与集成式反馈板结构示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述内容和目的、特征及优点能更明显，下文配合所附图示对本发明做进一步说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，一种宽量程高精度闭环电流传感器，包括原边载流导线1-1、弧形磁芯1-2、空气间隙1-3、集成式反馈板1-4、磁传感芯片1-5、平面螺旋反馈线圈1-6、仪表放大器1-7、功率放大器1-8、模数转换器1-9、单片机1-10。
弧形磁芯1-2选用软磁材料，本实施例中选用的是铁基非晶材料，共有四段弧形磁芯，内径70mm，外径170mm，高度100mm，整体呈圆环状，相邻弧形磁芯间有宽度为4mm的空气间隙1-3。
原边载流导线1-1选用铜制材料，圆柱状，半径40mm，垂直穿过磁芯所在的平面向内，处于四段弧形磁芯围成的圆环的中心位置。
集成式反馈板1-4为印刷电路板，顶层为磁传感芯片1-5封装，底层为平面螺旋反馈线圈1-6，集成式反馈板1-4紧贴弧形磁芯内壁，其长边与原边载流导线1-1平行。
如图2所示，平面螺旋反馈线圈1-6由平面矩形螺旋线圈2-1和平面矩形螺旋线圈2-2串联而成，共5匝，其中平面矩形螺旋线圈2-1共2匝，平面矩形螺旋线圈2-2共3匝，每匝线宽0.4mm，间隙0.17mm，采用铜质材料，铜厚0.07mm，平面矩形螺旋线圈中心有10mm×2mm的空隙，平面螺旋反馈线圈长边与原边载流导线平行。
磁传感芯片1-5为隧道结磁电阻传感芯片，焊接在集成式反馈板顶层，其敏感轴方向与平面螺旋反馈线圈1-6长边垂直，本实施例中选用的隧道结磁电阻传感芯片型号为TMR9002，其线性范围为±1Gs。
平面螺旋反馈线圈1-6和磁传感芯片1-5处于集成式反馈板中心位置。
仪表放大器1-7用于将隧道结磁电阻传感芯片差分输出端输出的电压信号进行放大，本实施例中选用的仪表放大器为具有高共模抑制比的仪表放大器AD620。
功率放大器1-8用于将仪表放大器1-7输出的电压信号转换为电流信号，并驱动平面螺旋反馈线圈1-6，形成反馈电流，本实施例中选用的功率放大器为大功率运算放大器OPA549，输出电流峰值可达10A。
模数转换器1-9用于将仪表放大器1-7输出的电压信号转换为数字量，并输出至单片机1-10，本实施例中选用的模数转换器为LTC2500-32。
单片机1-10用于将模数转换器1-9输出的数字量进行数据处理，输出与原边电流对应的数值，并进行显示。
本发明的具体实施过程是在原边载流导线中通入原边电流2000A，电流方向垂直于平面向内，经磁分流结构分流和衰减后，原边电流在隧道结磁电阻传感芯片TMR9002敏感轴方向上产生的信号磁场为4.4Gs，隧道结磁电阻传感芯片检测到信号磁场并产生差分电压信号输出至仪表放大器AD620,仪表放大器增益为250，仪表放大器输出的
电压信号由接成跟随模式的大功率运算放大器OPA549转换为电流信号，并驱动平面螺旋反馈线圈，形成反馈电流，反馈电流为0.5A，反馈电流在隧道结磁电阻传感芯片敏感轴方向上产生反馈磁场，反馈磁场与原边电流产生的信号磁场方向相反，反馈磁场能够抵消99％的信号磁场，构成闭环结构，实现了宽量程、高精度的设计目的。仪表放大器将隧道结磁电阻传感芯片输出的差分电压信号放大后输出至模数转换器，由模数转换器转换为数字量，并输出至单片机，经单片机数据处理后，输出与原边电流对应的数值，并进行显示。
本发明通过将弧形磁芯与空气间隙相结合的方式，对原边电流产生的信号磁场进行分流和衰减；通过在弧形磁芯内壁中心处设置平面螺旋反馈线圈，进一步衰减磁传感芯片处的被测磁场。本技术方法获得的电流传感器具有工作量程宽、精度高和便于安装等特点。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (6)
1.一种宽量程高精度闭环电流传感器，其特征在于：包括磁分流结构、原边载流导线、集成式传感探头和信号反馈电路板、仪表放大器、功率放大器、模数转换器以及单片机；
所述的磁分流结构采用软磁材料制作，套置在原边载流导线外，将原边被测电流产生的信号磁场进行分流和衰减，扩大电流传感器的检测范围；
所述的原边载流导线为铜质金属长导线，位于磁分流结构中心轴线位置，用于承载原边被测电流；
所述的集成式传感探头和信号反馈电路板由磁传感探头和集成式信号反馈电路板集成在一起组成，设置在紧贴磁分流结构的内壁处，其中磁传感探头采用磁电阻传感芯片，感应原边信号电流产生的磁场信号并将信号磁场转换为电压信号，并输出给后续的仪表放大器，传感探头具有高灵敏度，便于检测微小信号磁场；所述的集成式信号反馈电路板上集成有平面螺旋信号反馈线圈，信号反馈线圈在信号反馈电流驱动下为电流传感器的传感探头提供在位的闭环反馈磁场信号；
所述的仪表放大器设置在磁传感芯片输出端，用于对磁传感芯片输出的电压信号放大，并通过两路信号分别输出给功率放大器和模数转换器；
所述的功率放大器设置在仪表放大器输出端，用于将仪表放大器输出的电压信号转换为电流信号，并输出给信号反馈线圈产生闭环反馈信号电流；
所述的模数转换器设置在仪表放大器输出端，其与功率放大器为并联形式，模数转换器将仪表放大器输出的电压信号转换为数字信号，并输出至后端的单片机；
所述的单片机是STM32单片机，对模数转换器输出的数字信号进行数据处理，从而获得待测的原边信号电流的大小和频率，还能够通过数字式平均算法提高电流传感器检测精度。
2.如权利要求1所述的宽量程高精度闭环电流传感器，其特征在于：所述的磁分流结构由多段弧形磁芯构成，弧形磁芯沿圆周方向等间距设置，相邻弧形磁芯之间设置有空气间隙。
3.如权利要求1所述的宽量程高精度闭环电流传感器，其特征在于：所述的集成式信号反馈电路板集成有平面螺旋信号反馈线圈，平面螺旋反馈线圈由两个或多个平面矩形螺旋线圈串联而成。
4.如权利要求1所述的宽量程高精度闭环电流传感器，其特征在于：所述的磁传感芯片位于平面螺旋信号反馈线圈中心位置，其敏感轴与平面螺旋反馈线圈长边垂直。
5.如权利要求1所述的宽量程高精度闭环电流传感器，其特征在于：所述的磁分流结构采用镍系、钴系或铁系软磁材料。
6.如权利要求1所述的宽量程高精度闭环电流传感器，其特征在于：所述的磁传感芯片选用巨磁电阻传感芯片、各向异性磁电阻传感芯片或隧道结磁电阻传感芯片。
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