CN114814328A - 基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质 - Google Patents

基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN114814328A
CN114814328A CN202210442922.2A CN202210442922A CN114814328A CN 114814328 A CN114814328 A CN 114814328A CN 202210442922 A CN202210442922 A CN 202210442922A CN 114814328 A CN114814328 A CN 114814328A
Authority
CN
China
Prior art keywords
axis
magnetic field
current
tmr
current sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210442922.2A
Other languages
English (en)
Inventor
汤寿泉
李鹏
李敏虹
李立浧
谢宏
余鹏
任佳
田兵
韦杰
王志明
侯明哲
樊小鹏
尹旭
谭则杰
陈仁泽
徐振恒
林跃欢
孙宏棣
林力
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Power Supply Bureau Co Ltd
Original Assignee
Shenzhen Power Supply Bureau Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Power Supply Bureau Co Ltd filed Critical Shenzhen Power Supply Bureau Co Ltd
Priority to CN202210442922.2A priority Critical patent/CN114814328A/zh
Publication of CN114814328A publication Critical patent/CN114814328A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本发明公开了基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质，包括：获取3个三轴TMR电流传感器检测的磁场矢量
Figure DDA0003615316010000011
和
Figure DDA0003615316010000012
当存在均匀干扰磁场时，根据
Figure DDA0003615316010000013
确定干扰磁场矢量
Figure DDA0003615316010000014
的幅值
Figure DDA0003615316010000015
的幅值范围，及
Figure DDA0003615316010000016
与
Figure DDA0003615316010000017
之间相对夹角的范围；基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure DDA0003615316010000018
和一个夹角，使得在消除干扰磁场
Figure DDA0003615316010000019
的情况下，根据3个三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure DDA00036153160100000110
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向满足预设条件，即停止搜索，并根据所述I10、I20和I30确定待测导线的电流I。本发明采用3个TMR电流传感器，精确测量均匀干扰磁场环境下待测导线的电流，减少抗干扰电流测量所使用的TMR电流传感器数量。

Description

基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质。
背景技术
电力系统中电流精准传感是电网暂态信息监测、事故预警、状态分析和决策的基础。随着以新能源为主体的新型电力系统和数字电网的建设，对电流传感器提出了高精度、宽量程、自取能、小体积等要求。基于磁阻效应的电流传感器(如隧道磁电阻(tunnelmagnetoresistance,TMR)传感器)具有体积小、灵敏度高、测量范围宽等优点，已成为数字电网中电流智能化测量的主要发展方向。由于电网中存在复杂气象和强电磁环境，TMR电流传感器的测量精度会受到传感器角度偏转、导线位置偏移、电磁辐射等干扰。目前已有空间谐波扩展法、高导高导磁环法、以及TMR磁电阻芯片阵列等方法抑制位置、外界磁场等干扰。
其中，基于TMR芯片的电流传感器容易受到空间磁场干扰，尤其在架空输电线路分裂导线、配电柜等空间磁场较大的应用场景，相邻导线电流产生的磁场会对TMR电流传感器测量精度造成不可忽视的影响。为了抑制外界磁场干扰，有学者采用基于空间离散傅里叶变换的磁场谐波分析方法计算外界干扰磁场，但无法计算同频干扰磁场。此外，有学者提出采用采用高导磁环可有效降低空间位置对测量精度的影响，然而磁环开口气隙过大时外界工频电磁场容易与测量电量电路耦合；磁环开口气隙过小时气隙内磁场容易饱和，导致传感器量程范围过小。目前常用的方法是基于4个单轴TMR电流传感器构成的共线芯片阵列，可有效抑制空间磁场干扰，但所需TMR芯片数量较多。因此亟需研发一种抗干扰电流测量方法，减少抗干扰电流测量所使用的TMR电流传感器数量，并能够精确测量均匀干扰磁场环境下待测导线的电流。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质，以减少抗干扰电流测量所使用的TMR电流传感器数量，并能够精确测量均匀干扰磁场环境下待测导线的电流。
为实现上述目的，本发明提出一种基于三轴磁电阻的电流测量方法，所述方法基于一电流传感装置实现，所述电流传感装置包括第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的磁敏感方向分别与预设的一个三维坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴相同，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器分别位于所述三维坐标系O-XYZ中的L点、M点、N点；
所述方法包括：
获取所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA0003615314990000021
和
Figure BDA0003615314990000022
当存在均匀干扰磁场时，根据所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000023
确定干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000024
的幅值
Figure BDA0003615314990000025
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000026
与所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000027
之间相对夹角的角度范围；
基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure BDA0003615314990000028
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场
Figure BDA0003615314990000029
的情况下，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA00036153149900000210
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向满足预设条件，即停止搜索，并根据所述I10、I20和I30确定待测导线的电流I。
优选地，所述幅值范围为：
Figure BDA00036153149900000211
优选地，所述角度范围为：
min(θ1，θ2，θ3)～max(θ1，θ2，θ3)
其中：
Figure BDA0003615314990000031
Figure BDA0003615314990000032
Figure BDA0003615314990000033
其中：
Figure BDA0003615314990000034
的法平面分别为a’、b’、c’，则k1、k2、k3分别为法平面a’与b’、a’与c’、b’与c’的交线的方向向量。
优选地，述电流I10、I20和I30的大小满足预设条件，包括：
ΔI＝abs(I10-I20)+abs(I10-I30)+abs(I20-I30)<ε1
其中，ε1为预设的常数。
优选地，所述电流I10、I20和I30通过以下方式计算得到：
根据
Figure BDA0003615314990000035
计算根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA0003615314990000036
和
Figure BDA0003615314990000037
获取所述L点、M点、N点的三维坐标分别为L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)；
根据所述L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)、
Figure BDA0003615314990000038
和
Figure BDA0003615314990000039
分别计算L、M、N三点到导线
Figure BDA00036153149900000310
的最短距离dL、dM、dN；
根据毕奥-萨伐尔定律
Figure BDA00036153149900000311
和
Figure BDA00036153149900000312
分别计算电流I10、I20和I30。
优选地，所述电流I10、I20和I30的方向满足预设条件，包括：
Δθ＝abs(θ10-θ20)+abs(θ10-θ30)+abs(θ20-θ30)<ε2
其中，ε2为预设的常数，θ10为电流I10和I20之间的方向偏差，θ20为电流I10和I30之间的方向偏差，θ30为电流I20和I20之间的方向偏差。
优选地，所述θ10、θ20和θ30通过以下方式计算得到：
根据
Figure BDA0003615314990000041
计算根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA0003615314990000042
和
Figure BDA0003615314990000043
根据
Figure BDA0003615314990000044
和
Figure BDA0003615314990000045
分别计算夹角θ10、θ20和θ30；其中，
Figure BDA0003615314990000046
的法平面分别为a、b、c，则k10、k20、k30分别为法平面a与b、a与c、b与c的交线的方向向量。
优选地，所述遍历搜索采用斐波那契搜索法进行搜索。
优选地，所述方法还包括：
当不存在干扰磁场时，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA0003615314990000047
和
Figure BDA0003615314990000048
计算待测导线的电流I。
作为同一发明构思，本发明还提出一种基于三轴磁电阻的电流测量系统，所述系统基于一电流传感装置实现，所述电流传感装置包括第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的磁敏感方向分别与预设的一个三维坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴相同，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器分别位于所述三维坐标系O-XYZ中的L点、M点、N点；
所述系统包括：
传感信号获取单元，用于获取所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA0003615314990000049
和
Figure BDA00036153149900000410
计算单元，用于当存在均匀干扰磁场时，根据所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000051
确定干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000052
的幅值
Figure BDA0003615314990000053
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000054
与所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000055
之间相对夹角θ的角度范围；
搜索单元，用于基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure BDA0003615314990000056
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场
Figure BDA0003615314990000057
的情况下，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA0003615314990000058
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向满足预设条件，即停止搜索，并根据所述I10、I20和I30确定待测导线的电流I。
作为同一发明构思，本发明还提出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上述的一种基于三轴磁电阻的电流测量方法的步骤。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
当存在均匀干扰磁场时，本发明根据3个三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA0003615314990000059
Figure BDA00036153149900000510
确定干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900000511
的幅值
Figure BDA00036153149900000512
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900000513
与所述磁场矢量
Figure BDA00036153149900000514
Figure BDA00036153149900000515
之间相对夹角θ的角度范围；进一步地，基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure BDA00036153149900000516
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场的情况下，根据3个三轴TMR电流传感器实际磁场矢量
Figure BDA00036153149900000517
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向基本相同，即小于一定误差范围，即认定其是相同的，此时便得到干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900000518
由于理论上导线电流I＝I10＝I20＝I30，因此可以根据电流I10、I20和I30得到待测导线电流I。本发明采用3个TMR电流传感器，精确测量均匀干扰磁场环境下待测导线的电流，减少抗干扰电流测量所使用的TMR电流传感器数量。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。
附图说明
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，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。
图1为本发明实施例中无干扰磁场下3个三轴TMR电流传感器的导线电流测量示意图。
图2为本发明实施例中在均匀干扰磁场下3个三轴TMR电流传感器的导线电流测量示意图。
图3为本发明实施例中一种基于三轴磁电阻的电流测量方法的流程图。
图4为本发明实施例中斐波那契查找示意图。
图5为本发明实施例中球坐标示意图。
图6为本发明一实施例中一种基于三轴磁电阻的电流测量系统的结构图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明一实施例提出一种基于三轴磁电阻的电流测量方法，所述方法基于一电流传感装置实现，所述电流传感装置包括3个三轴TMR电流传感器，即第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器，三轴TMR电流传感器可以测量三个方向，即具有三个磁敏感方向，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的3个磁敏感方向分别与预设的一个三维坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴相同，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器分别位于所述三维坐标系O-XYZ中的L点、M点、N点，在下文中矢量表达式中通过下标L、M、N分别表示第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器；
如图1～2所示，其中，图1为无干扰磁场下3个三轴TMR电流传感器的导线电流测量示意图，图2为在均匀干扰磁场下3个三轴TMR电流传感器的导线电流测量示意图，
参阅图3，本实施例的方法包括以下步骤：
步骤S1、获取所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA0003615314990000061
和
Figure BDA0003615314990000062
步骤S2、当存在均匀干扰磁场时，根据所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000071
确定干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000072
的幅值
Figure BDA0003615314990000073
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000074
与所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000075
之间相对夹角θ的角度范围；
步骤S3、基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure BDA0003615314990000076
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场
Figure BDA0003615314990000077
的情况下，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA0003615314990000078
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向满足预设条件，即停止搜索，并根据所述I10、I20和I30确定待测导线的电流I。
具体而言，当存在均匀干扰磁场时，本实施例方法根据3个三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA0003615314990000079
确定干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900000710
的幅值
Figure BDA00036153149900000711
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900000712
与所述磁场矢量
Figure BDA00036153149900000713
之间相对夹角θ的角度范围；进一步地，基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure BDA00036153149900000714
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场的情况下，根据3个三轴TMR电流传感器实际磁场矢量
Figure BDA00036153149900000715
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向基本相同，即小于一定误差范围，即认定其是相同的，此时便得到干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900000716
由于理论上导线电流I＝I10＝I20＝I30，因此可以根据电流I10、I20和I30得到待测导线电流I。
基于以上描述可知，单轴传感器只能测量一个方向，例如X轴方向；双轴传感器可以测量任意两个方向，例如X轴和Z轴；三轴传感器可以测量三个方向，即X轴、Y轴、Z轴。由于单个三轴传感器可以测量3个方向，因此可以用数量更少的传感器实现电流测量，降低测量系统的复杂度。相对于现有技术中基于4个单轴TMR构成的共线芯片阵列抑制空间磁场干扰进行电流测量的方法而言，本实施例方法采用3个TMR电流传感器，精确测量均匀干扰磁场环境下待测导线的电流，减少抗干扰电流测量所使用的TMR电流传感器数量。同时，本发明可以限定磁场幅值和方向的搜索范围，从而快速寻找到结果，提高传感系统的测量效率。
具体而言，如图1～2所示的三维坐标系O-XYZ，假设3个三轴TMR电流传感器的坐标分别为L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)，在无磁场干扰情况下，由待测导线电流
Figure BDA00036153149900000717
在L、M、N三点上形成的磁场矢量分别为
Figure BDA00036153149900000718
即实际磁场矢量，对应的法平面分别为a、b、c，如图1所示。
由于磁场矢量方向垂直于电流传感器到待测导线的距离，因此待测导线位置为a、b、c三个法平面的交线，计算过程为：
Figure BDA0003615314990000081
根据上式可以计算出待测导线的空间位置
Figure BDA0003615314990000082
从而求解L、M、N三点到导线
Figure BDA0003615314990000083
的最短距离dL、dM、dN，根据毕奥-萨伐尔定律可求出电流：
Figure BDA0003615314990000084
假如空间中存在均匀的干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000085
与L、M、N点原磁场矢量
Figure BDA0003615314990000086
叠加后得磁场矢量
Figure BDA0003615314990000087
磁场矢量
Figure BDA0003615314990000088
分别对应的法平面分别为a’、b’、c’，如图2所示。由于干扰磁场
Figure BDA0003615314990000089
的存在，使得a’、b’、c’三个法平面的交线不再重合，无法准确求解待测导线的空间位置和电流大小，则
Figure BDA00036153149900000810
与
Figure BDA00036153149900000811
不相等，因此，在本实施例中，可以通过根据3个三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA00036153149900000812
来分别计算
Figure BDA00036153149900000813
和
Figure BDA00036153149900000814
并对计算结果进行对比，如果相同或误差小于一个非常小的常数，则可以认为不存在干扰磁场
Figure BDA00036153149900000815
反之，则可以认为是存在干扰磁场。
在存在干扰磁场的情况下，如图2所示，假设法平面a’与b’的交线为lLM，法平面a’与c’的交线为lLN、法平面b’与c’的交线为lMN，可以根据式(1)的原理计算出lLM、lLN、lMN的方向向量分别为k1、k2、k3，具体地，先根据公式(1)求出导线的空间坐标，然后结合已知的3个三轴TMR电流传感器的坐标分别为L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)来计算得到lLM、lLN、lMN的方向向量。
进一步地，可以计算lLM与lLN、lLM与lMN、lMN与lLN的夹角θ1、θ2、θ3分别为：
Figure BDA00036153149900000816
Figure BDA0003615314990000091
Figure BDA0003615314990000092
根据式(2)求解出lLM、lLN、lMN对应的电流I1、I2、I3，在干扰磁场
Figure BDA0003615314990000093
的作用下，至少有一个叠加磁场小于原磁场，因此干扰磁场
Figure BDA0003615314990000094
幅值范围为：
Figure BDA0003615314990000095
干扰磁场
Figure BDA0003615314990000096
与叠加磁场
Figure BDA0003615314990000097
的相对角度偏差的角度范围为：
min(θ1，θ2，θ3)～max(θ1，θ2，θ3) (7)。
优选地，述电流I10、I20和I30的大小满足预设条件，具体为满足以下公式(8)：
ΔI＝abs(I10-I20)+abs(I10-I30)+abs(I20-I30)<ε1 (8)
其中，ε1为预设的微小常数。
优选地，所述电流I10、I20和I30通过以下方式计算得到：
步骤(1.1)，根据
Figure BDA0003615314990000098
计算根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA0003615314990000099
和
Figure BDA00036153149900000910
步骤(1.2)，获取所述L点、M点、N点的三维坐标分别为L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)；
步骤(1.3)，根据所述L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)、
Figure BDA00036153149900000911
和
Figure BDA00036153149900000912
分别计算L、M、N三点到导线
Figure BDA00036153149900000913
的最短距离dL、dM、dN；
步骤(1.4)，根据毕奥-萨伐尔定律
Figure BDA0003615314990000101
和
Figure BDA0003615314990000102
分别计算电流I10、I20和I30。
优选地，所述电流I10、I20和I30的方向满足预设条件，具体为满足以下公式(9)：
Δθ＝abs(θ10-θ20)+abs(θ10-θ30)+abs(θ20-θ30)<ε2 (9)
其中，ε2为预设的微小常数，θ10为电流I10和I20之间的方向偏差，θ20为电流I10和I30之间的方向偏差，θ30为电流I20和I20之间的方向偏差。
优选地，所述θ10、θ20和θ30通过以下方式计算得到：
步骤(2.1)，根据
Figure BDA0003615314990000103
计算根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA0003615314990000104
和
Figure BDA0003615314990000105
步骤(2.2)，根据
Figure BDA0003615314990000106
和
Figure BDA0003615314990000107
分别计算夹角θ10、θ20和θ30；其中，
Figure BDA0003615314990000108
的法平面分别为a、b、c，则k10、k20、k30分别为法平面a与b、a与c、b与c的交线的方向向量。
优选地，本实施例中还提出一种快速遍历搜索的方法，即：
根据式(7)可知
Figure BDA0003615314990000109
与
Figure BDA00036153149900001010
的相对角度偏差θ范围，但未确定
Figure BDA00036153149900001011
的实际方向。为了提高遍历搜索效率，本发明实施例优选但不限于采用斐波那契查找算法对
Figure BDA00036153149900001012
幅值和角度进行遍历搜索，如图4所示，可以基于
Figure BDA00036153149900001013
幅值和角度范围，通过黄金分割点0.618来确定判断值并进一步缩小范围，实现快速搜索，具体而言，在确定一个
Figure BDA00036153149900001014
的幅值和方向后，可以根据
Figure BDA00036153149900001015
计算根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA00036153149900001016
Figure BDA0003615314990000111
和
Figure BDA0003615314990000112
基于
Figure BDA0003615314990000113
和
Figure BDA0003615314990000114
根据毕奥-萨伐尔定律
Figure BDA0003615314990000115
和
Figure BDA0003615314990000116
分别计算电流I10、I20和I30，需说明的是，由于
Figure BDA0003615314990000117
和
Figure BDA0003615314990000118
是有角度方向的矢量，因此根据毕奥-萨伐尔定律计算得到的电流I10、I20和I30带有角度方向，进一步可以计算ΔI和Δθ，并判断ΔI和Δθ是否满足上述公式(8)和(9)的条件，如果满足则确定搜索到
Figure BDA0003615314990000119
幅值和角度。
更具体地，如图5所示，本实施例列举了一种具体方法，即：以
Figure BDA00036153149900001110
为中心轴建立球坐标
Figure BDA00036153149900001111
Figure BDA00036153149900001112
与
Figure BDA00036153149900001113
之间的夹角θ，参阅图5可知，
Figure BDA00036153149900001114
的方向由
Figure BDA00036153149900001115
的方向、
Figure BDA00036153149900001116
和θ来共同决定，其中
Figure BDA00036153149900001117
的方向为已知，因此通过确定
Figure BDA00036153149900001118
和θ即可以确定
Figure BDA00036153149900001119
的方向。由式(6)和(7)计算得
Figure BDA00036153149900001120
幅值和相对角度范围为
Figure BDA00036153149900001121
10°≤θ≤30°，Oe为磁场强度单位。根据斐波那契查找，先选定某个
Figure BDA00036153149900001122
和θ，遍历搜寻
Figure BDA00036153149900001123
首先取
Figure BDA00036153149900001124
θ＝10°+(30°-10°)*0.618＝22.36°，
Figure BDA00036153149900001125
作为初始值，分别计算ΔI和Δθ，若满足条件则此时为所求
Figure BDA00036153149900001126
若不满足条件，则进一步查找令
Figure BDA00036153149900001127
若ΔI和Δθ任意一个增大，则令
Figure BDA00036153149900001128
同理，根据斐波那契先后遍历查找
Figure BDA00036153149900001129
和θ，直到计算结果满足式(8)和(9)，可计算出无干扰磁场下导线电流值。假如
Figure BDA00036153149900001138
改变且离真值越远，三条线更不能重合，因此ΔI和Δθ变大。假如ΔI和Δθ任意一个减小，说明
Figure BDA00036153149900001139
离真值很近，则可以缩小
Figure BDA00036153149900001140
的遍历为0～222.48°，进一步取
Figure BDA00036153149900001130
如果误差变大，说明
Figure BDA00036153149900001141
离真值越远，因此选取图4中Mid～High的部分，即222.48°～360°进行搜寻，那该范围的斐波那契查找值就是
Figure BDA00036153149900001131
如果搜寻Mid～High部分误差一直增大，则说明
Figure BDA00036153149900001142
真值在图4的Low～Mid部分，因此取
Figure BDA00036153149900001132
优选地，所述方法还包括：
当不存在干扰磁场时，即叠加磁场
Figure BDA00036153149900001133
和
Figure BDA00036153149900001134
与原磁场
Figure BDA00036153149900001135
相同，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA00036153149900001136
和
Figure BDA00036153149900001137
计算待测导线的电流I，计算方式见上文，此处不再赘述。
本发明另一实施例还提出一种基于三轴磁电阻的电流测量系统，所述系统基于一电流传感装置实现，所述电流传感装置包括第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的磁敏感方向分别与预设的一个三维坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴相同，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器分别位于所述三维坐标系O-XYZ中的L点、M点、N点；
本实施例的系统的功能单元可以用于执行上述实施例所述的方法的步骤，参阅图6，本实施例的系统包括以下功能单元：
传感信号获取单元1，用于获取所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA0003615314990000121
和
Figure BDA0003615314990000122
计算单元2，用于当存在均匀干扰磁场时，根据所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000123
确定干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000124
的幅值
Figure BDA0003615314990000125
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000126
与所述磁场矢量
Figure BDA0003615314990000127
之间相对夹角θ的角度范围；
搜索单元3，用于基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure BDA0003615314990000128
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场
Figure BDA0003615314990000129
的情况下，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure BDA00036153149900001210
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向满足预设条件，即停止搜索，并根据所述I10、I20和I30确定待测导线的电流I。
本发明的另一实施例还提出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上述实施例所述的一种基于三轴磁电阻的电流测量方法的步骤。
具体而言，所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序指令的任何实体或记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
当存在均匀干扰磁场时，本发明根据3个三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure BDA00036153149900001211
Figure BDA00036153149900001212
确定干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900001213
的幅值
Figure BDA00036153149900001214
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure BDA00036153149900001215
与所述磁场矢量
Figure BDA00036153149900001216
Figure BDA00036153149900001217
之间相对夹角θ的角度范围；进一步地，基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure BDA0003615314990000131
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场的情况下，根据3个三轴TMR电流传感器实际磁场矢量
Figure BDA0003615314990000132
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向基本相同，即小于一定误差范围，即认定其是相同的，此时便得到干扰磁场矢量
Figure BDA0003615314990000133
由于理论上导线电流I＝I10＝I20＝I30，因此可以根据电流I10、I20和I30得到待测导线电流I。本发明采用3个TMR电流传感器，精确测量均匀干扰磁场环境下待测导线的电流，减少抗干扰电流测量所使用的TMR电流传感器数量。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
需说明的是，上述实施例所述系统与上述实施例所述方法对应，因此，上述实施例所述系统未详述部分可以参阅上述实施例所述方法的内容得到，即上述实施例方法记载的具体步骤内容可以理解为本实施例系统的所能够实现的功能，此处不再赘述。
并且，上述实施例所述基于三轴磁电阻的电流测量系统若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。
本发明另一实施例提出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上述实施例所述基于三轴磁电阻的电流测量方法的步骤。
具体而言，所述计算机可读存储介质可以包括：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-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述方法基于一电流传感装置实现，所述电流传感装置包括第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的磁敏感方向分别与预设的一个三维坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴相同，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器分别位于所述三维坐标系O-XYZ中的L点、M点、N点；
所述方法包括：
获取所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure FDA0003615314980000011
和
Figure FDA0003615314980000012
当存在均匀干扰磁场时，根据所述磁场矢量
Figure FDA0003615314980000013
确定干扰磁场矢量
Figure FDA0003615314980000014
的幅值
Figure FDA0003615314980000015
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure FDA0003615314980000016
与所述磁场矢量
Figure FDA0003615314980000017
之间相对夹角的角度范围；
基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure FDA0003615314980000018
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场
Figure FDA0003615314980000019
的情况下，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure FDA00036153149800000110
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向满足预设条件，即停止搜索，并根据所述I10、I20和I30确定待测导线的电流I。
2.根据权利要求1所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述幅值范围为：
Figure FDA00036153149800000111
3.根据权利要求1所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述角度范围为：
min(θ1，θ2，θ3)～max(θ1，θ2，θ3)
其中：
Figure FDA0003615314980000021
Figure FDA0003615314980000022
Figure FDA0003615314980000023
其中：
Figure FDA0003615314980000024
的法平面分别为a’、b’、c’，则k1、k2、k3分别为法平面a’与b’、a’与c’、b’与c’的交线的方向向量。
4.根据权利要求1所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，述电流I10、I20和I30的大小满足预设条件，包括：
ΔI＝abs(I10-I20)+abs(I10-I30)+abs(I20-I30)<ε1
其中，ε1为预设的常数。
5.根据权利要求4所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述电流I10、I20和I30通过以下方式计算得到：
根据
Figure FDA0003615314980000025
计算根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure FDA0003615314980000026
和
Figure FDA0003615314980000027
获取所述L点、M点、N点的三维坐标分别为L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)；
根据所述L(xL,yL,zL)、M(xM,yM,zM)、N(xN,yN,zN)、
Figure FDA0003615314980000028
和
Figure FDA0003615314980000029
分别计算L、M、N三点到导线
Figure FDA00036153149800000210
的最短距离dL、dM、dN；
根据毕奥-萨伐尔定律
Figure FDA00036153149800000211
和
Figure FDA00036153149800000212
分别计算电流I10、I20和I30。
6.根据权利要求1所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述电流I10、I20和I30的方向满足预设条件，包括：
Δθ＝abs(θ10-θ20)+abs(θ10-θ30)+abs(θ20-θ30)<ε2
其中，ε2为预设的常数，θ10为电流I10和I20之间的方向偏差，θ20为电流I10和I30之间的方向偏差，θ30为电流I20和I20之间的方向偏差。
7.根据权利要求6所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述θ10、θ20和θ30通过以下方式计算得到：
根据
Figure FDA0003615314980000031
计算根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure FDA0003615314980000032
和
Figure FDA0003615314980000033
根据
Figure FDA0003615314980000034
和
Figure FDA0003615314980000035
分别计算夹角θ10、θ20和θ30；其中，
Figure FDA0003615314980000036
的法平面分别为a、b、c，则k10、k20、k30分别为法平面a与b、a与c、b与c的交线的方向向量。
8.根据权利要求1所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述遍历搜索采用斐波那契搜索法进行搜索。
9.根据权利要求1所述的基于三轴磁电阻的电流测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
当不存在干扰磁场时，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure FDA0003615314980000037
和
Figure FDA0003615314980000038
计算待测导线的电流I。
10.一种基于三轴磁电阻的电流测量系统，其特征在于，所述系统基于一电流传感装置实现，所述电流传感装置包括第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的磁敏感方向分别与预设的一个三维坐标系O-XYZ的X轴、Y轴和Z轴相同，所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器分别位于所述三维坐标系O-XYZ中的L点、M点、N点；
所述系统包括：
传感信号获取单元，用于获取所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器所检测的磁场矢量
Figure FDA0003615314980000041
和
Figure FDA0003615314980000042
计算单元，用于当存在均匀干扰磁场时，根据所述磁场矢量
Figure FDA0003615314980000043
确定干扰磁场矢量
Figure FDA0003615314980000044
的幅值
Figure FDA0003615314980000045
的幅值范围，及干扰磁场矢量
Figure FDA0003615314980000046
与所述磁场矢量
Figure FDA0003615314980000047
之间相对夹角范围；
搜索单元，用于基于所述幅值范围和所述角度范围，遍历搜索一个幅值
Figure FDA0003615314980000048
和一个夹角θ，使得在消除干扰磁场
Figure FDA0003615314980000049
的情况下，根据所述第一三轴TMR电流传感器、第二三轴TMR电流传感器和第三三轴TMR电流传感器的实际磁场矢量
Figure FDA00036153149800000410
所分别计算得到的电流I10、I20和I30的大小和方向满足预设条件，即停止搜索，并根据所述I10、I20和I30确定待测导线的电流I。
11.一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9中任一项所述基于三轴磁电阻的电流测量方法的步骤。
CN202210442922.2A 2022-04-26 2022-04-26 基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质 Pending CN114814328A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210442922.2A CN114814328A (zh) 2022-04-26 2022-04-26 基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210442922.2A CN114814328A (zh) 2022-04-26 2022-04-26 基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114814328A true CN114814328A (zh) 2022-07-29

Family

ID=82508021

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210442922.2A Pending CN114814328A (zh) 2022-04-26 2022-04-26 基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114814328A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3769094B1 (en) Contactless current measurement using magnetic sensors
EP3006896B1 (en) Three-axis digital compass
CN109444510B (zh) 一种适用于智能电网保护系统的非接触式电流测量装置
CN108227005A (zh) 一种目标定位及识别方法
CN113820532B (zh) 非接触式双芯电缆电流测量方法和装置
CN109725361B (zh) 基于磁梯度张量不变量的一种磁性目标定位方法
CN112986648A (zh) 一种长直导线电流测量方法及系统
CN112595873A (zh) 基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器及其测量方法
CN113325228A (zh) 一种基于磁阻效应传感器阵列的单侧电流探测装置及方法
CN111650539A (zh) 导线运行参数检测方法、系统、装置和计算机设备
CN110412339B (zh) 一种电力系统电流测量装置及方法
CN113325343B (zh) 一种单轴隧道磁阻电流测量方法
CN111596119A (zh) 一种基于导线磁场的检测方法及装置
US10473701B2 (en) Systems and methods for magnetometer-based current measurement
CN114814328A (zh) 基于三轴磁电阻的电流测量方法及系统、存储介质
Guo et al. Crosstalk analysis and current measurement correction in circular 3D magnetic sensors arrays
US11237227B2 (en) Magnetic sensor
CN114444299B (zh) 一种基于距离加权多极展开方法的磁场重构方法
CN113960679B (zh) 一种基于六面体磁探测装置的渗漏检测方法及装置
JP6026950B2 (ja) 磁束ベクトル方向検出装置
CN113608152B (zh) 磁传感器
CN112393745A (zh) 磁浮标的航向误差在线补偿方法
CN212568925U (zh) 一种基于导线磁场的两点检测装置
CN107389091A (zh) 一种数据的检测方法及装置
Guo et al. Current Measurement for Curved Conductor based on 3-D Coreless TMR Sensor Array

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination