CN115469137A - 交直流闭环电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种交直流闭环电流传感器，包括聚磁铁芯、TMR芯片、信号处理电路、信号发生器和反馈线圈，TMR芯片设置于聚磁铁芯的气隙处，TMR芯片与信号处理电路连接，信号处理电路与TMR芯片和信号发生器连接，反馈线圈缠绕在聚磁铁芯上，与信号发生器连接，聚磁铁芯用于根据被测电流汇聚感应磁场，TMR芯片用于根据感应磁场输出感应信号，信号处理电路用于对TMR芯片的感应信号进行选取和放大，得到电流信号分量发送至信号发生器，信号发生器用于根据电流信号分量调节输出至反馈线圈的电流，并输出对选取的电流信号分量的测量结果。通过排除了杂乱信号的干扰，能够达到对需要检测的电流分量信号进行准确测量。

Description

交直流闭环电流传感器
技术领域
本申请涉及电力测量技术领域，特别是涉及一种交直流闭环电流传感器。
背景技术
随着电力系统应用广泛，电力测量需求也越来越大，随着微机电制备技术日渐成熟，基于微电机技术的磁场传感芯片给非侵入式电流测量提供了技术基础。目前非接触电流测量技术基本都是通过测量由被测电流产生的磁场的方式来间接还原被测电流信息，众多磁场传感芯片中，TMR（隧道磁电阻）芯片灵敏度高、线性范围宽，目前得到广泛应用。面对电力系统非常宽的电流工作范围，出现了基于闭环反馈的TMR电流传感器。
传统的闭环电流传感器通过设计复杂的反馈电路，保证TMR输出信号经过放大反馈到测量回路时，TMR处的测量磁场恒定为零。然而，传统的闭环电流传感器测量的信号杂乱，无法对需要检测的电流分量信号进行准确测量。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够对需要检测的电流分量信号进行准确测量的交直流闭环电流传感器。
一种交直流闭环电流传感器，包括聚磁铁芯、TMR芯片、信号处理电路、信号发生器和反馈线圈，所述TMR芯片设置于所述聚磁铁芯的气隙处，所述TMR芯片与所述信号处理电路连接，所述信号处理电路与所述TMR芯片和所述信号发生器连接，所述反馈线圈缠绕在所述聚磁铁芯上，与所述信号发生器连接，所述聚磁铁芯用于根据被测电流汇聚感应磁场，所述TMR芯片用于根据所述感应磁场输出感应信号，所述信号处理电路用于对所述TMR芯片的感应信号进行选取和放大，得到电流信号分量发送至所述信号发生器，所述信号发生器用于根据电流信号分量调节输出至所述反馈线圈的电流，并输出对选取的电流信号分量的测量结果。
在其中一个实施例中，所述信号处理电路包括信号选择电路和信号放大电路，所述信号选择电路连接所述TMR芯片和所述信号放大电路，所述信号放大电路连接信号选择电路和所述信号发生器，所述信号选择电路用于选择电流信号分量，所述信号放大电路用于对所述电流信号分量进行放大。
在其中一个实施例中，所述信号选择电路包括采样电路、带通滤波电路、直流滤波电路和选择电路，所述采样电路连接所述TMR芯片、所述带通滤波电路和直流滤波电路，所述选择电路连接所述带通滤波电路、所述直流滤波电路和所述信号放大电路。
在其中一个实施例中，所述采样电路获取所述TMR芯片的信号并输出样本信号，所述带通滤波电路用于根据设定的参考信号频率对所述样本信号进行交流信号分量选择；所述直流滤波电路用于对所述样本信号进行直流信号分量滤波处理，所述选择电路用于将所述带通滤波电路和/或所述直流滤波电路导通。
在其中一个实施例中，所述带通滤波电路为双相锁相放大电路。
在其中一个实施例中，所述双相锁相放大电路设定的参考信号频率为50Hz。
在其中一个实施例中，所述直流滤波电路为二阶RC低通直流滤波电路。
在其中一个实施例中，所述信号放大电路包括加法电路和积分放大电路，所述加法电路连接所述信号选择电路和所述积分放大电路，所述积分放大电路连接所述信号发生器，所述加法电路用于叠加所述信号选择电路输出的电流信号分量，所述积分放大电路用于放大叠加后的信号并传输给所述信号发生器。
在其中一个实施例中，所述信号发生器用于输出反馈电流至所述反馈线圈，并根据电流信号分量调节所述反馈电流的幅值，直至TMR芯片输出的感应信号为0时，输出对选取的电流信号分量的测量结果；所述反馈电流用于所述反馈线圈产生与所述被测电流相反的磁场。
在其中一个实施例中，所述信号发生器还用于根据电流信号分量调节所述反馈电流的方向。
上述交直流闭环电流传感器，通过在信号发生器前接入的信号处理电路，能够对TMR芯片输出的感应信号进行选取，排除了杂乱信号的干扰，能够达到对需要检测的电流分量信号进行准确测量。
附图说明
图1为一个实施例中交直流闭环电流传感器的结构示意图；
图2为一个实施例中交直流闭环电流传感器中信号处理电路的结构示意图；
图3为一个实施例中信号选择电路的结构框图；
图4为另一个实施例中带通滤波电路的结构框图；
图5为一个实施例中双相锁相放大电路的结构示意图；
图6为一个实施例中直流滤波电路的结构框图；
图7为一个实施例中二阶RC低通滤波电路的电路图；
图8为一个实施例中信号放大电路的结构框图。
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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
本申请实施例提供的交直流闭环电流传感器，可以应用于对某些电流信号分量进行测量的应用环境。其中，交直流闭环电流传感器的聚磁铁芯为环形聚磁铁芯，TMR芯片设置于聚磁铁芯的气隙处，将被测导体放置在聚磁铁芯的空心内穿过聚磁铁芯开始测量。TMR芯片就可以感应到磁场并输出感应信号，通过在信号处理电路中选择不同的电路对不同电流信号分量进行闭环反馈，得出测量结果。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种交直流闭环电流传感器，包括聚磁铁芯102、TMR芯片104、信号处理电路106、信号发生器108和反馈线圈109，TMR芯片104设置于聚磁铁芯102的气隙处，TMR芯片104与信号处理电路106连接，信号处理电路106与TMR芯片104和信号发生器108连接，反馈线圈109缠绕在聚磁铁芯102上，与信号发生器108连接，聚磁铁芯102用于根据被测电流汇聚感应磁场，TMR芯片104用于根据感应磁场输出感应信号，信号处理电路106用于对TMR芯片104的感应信号进行选取和放大，得到电流信号分量发送至信号发生器108，信号发生器108用于根据电流信号分量调节输出至反馈线圈109的电流，并输出对选取的电流信号分量的测量结果。
其中，聚磁铁芯102是聚磁介质的一种，在交直流闭环电流传感器中聚磁铁芯102为环状，并设置有气隙；TMR芯片104是一种利用隧道磁阻效应的磁敏感元件，TMR芯片在一定的磁场范围内具有较高的线性度，且越靠近磁场零点处线性度越高，闭环电流传感器的TMR芯片通常工作在磁场零点，以获得最佳的线性度；信号发生器108又称信号源或振荡器，能够根据接收到的信号调整对应的输出电流。
具体的，将TMR芯片104设置于聚磁铁芯102的气隙处，测量时，导体100穿过聚磁铁芯102，导体100内的被测电流改变聚磁铁芯102内的感应磁场，能够引起TMR芯片104的电阻变化，从而改变TMR芯片104的感应信号，信号处理电路106可以对信号进行选取和放大，TMR芯片104的感应信号经过信号处理电路106时，选取出所需测量的电流信号分量，过滤掉不需要测量的电流信号干扰，再将所需测量的电流信号分量放大输送给信号发生器108，信号发生器108根据接收到的信号产生对应电流，并将该电流输出至缠绕于聚磁铁芯102的反馈线圈109，同样的，该电流也用于输出最终的测量结果。
进一步的，聚磁铁芯102为环状，具体可设计为开口圆环状结构，具有气隙，TMR芯片104设置于聚磁铁芯102的气隙处，导体100穿过聚磁铁芯102的环内，位置不限；反馈线圈109在聚磁铁芯102上的缠绕位置不限定，缠绕部分聚磁铁芯102即可；TMR芯片104可以选择单轴TMR芯片。
本实施例中，通过在信号处理电路106在TMR芯片104的感应信号中选取所需测量的电流信号分量，排除了其他电流信号分量的干扰，可以实现对指定的电流信号分量的准确测量。
在一个实施例中，如图2所示，信号处理电路106包括信号选择电路202和信号放大电路204，信号选择电路202连接TMR芯片104和信号放大电路204，信号放大电路204连接信号选择电路202和信号发生器108，信号选择电路202用于选择电流信号分量，信号放大电路204用于对电流信号分量进行放大。
具体的，信号处理电路106需要对感应信号进行选取和放大，信号选择电路202接收TMR芯片104的感应信号并对感应信号进行中的电流信号分量进行选取，提取出所需测量的电流信号分量，所需测量的电流信号分量再经过信号放大电路204的放大输出至信号发生器108，用于信号发生器108产生对应的电流。
对感应信号选取出所需测量的电流信号分量的电路并不唯一，在一个实施例中，如图3所示，信号选择电路202包括采样电路302、带通滤波电路304、直流滤波电路306和选择电路308，采样电路302连接TMR芯片104、带通滤波电路304和直流滤波电路306，选择电路308连接带通滤波电路304、直流滤波电路306和所述信号放大电路204。
其中，带通滤波电路304是对交流电进行特定频率区间选取的电路，该电路只允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段，类似于带通滤波器；直流滤波电路306是能够过滤交流电信号干扰，保留直流电信号的电路。
具体的，采样电路302对TMR芯片104中的感应信号进行采样处理，采样后再经过带通滤波电路304或是经过直流滤波电路306进行电流信号分量的选取，选择电路308可以选择接入的电路是带通滤波电路304或是直流滤波电路306或是两者都接入，被选取的电路完成对所需测量的电流信号分量的提取后，所需测量的电流信号分量经过选择电路308输出至信号放大电路204。
在本实施例中，通过设置应用于不同测量环境的信号处理电路，能够对直流信号分量和交流信号分量进行选取测量，可以实现对选取电流分量的准确测量，并且干扰电流被去除，不用经过反馈电流，可以降低系统的功耗。
在一个实施例中，采样电路302获取TMR芯片104的信号并输出样本信号，带通滤波电路304用于根据设定的参考信号频率对样本信号进行交流信号分量选择；直流滤波电路306用于对样本信号进行直流信号分量滤波处理，选择电路308用于将带通滤波电路304和/或直流滤波电路306导通。
具体的，采样电路302在TMR芯片输出的感应信号中采样得到样本信号，样本信号需要经过带通滤波电路304或是直流滤波电路306提取出对应的电流信号分量，操作人员根据实际所需的测量情况，通过选择电路308控制带通滤波电路304和直流滤波电路306的导通和断开。其中，带通滤波电路304具有设定的参考信号频率，用于选取设定的参考信号频率的交流电信号分量；直流滤波电路306用于选取样本信号的直流电信号分量。
进一步的，操作人员根据实际所需的测量情况选择带通滤波电路304和直流滤波电路306。例如，当所需测量的电流为直流电流，则操作人员控制选择电路308与直流滤波电路306导通，与带通滤波电路304断开；当所需测量的电流为参考频率的交流电流，则操作人员控制选择电路308与带通滤波电路304导通，与直流滤波电路306断开；当所需测量的电流为直流电流和参考频率的交流电流，则操作人员控制选择电路308与直流滤波电路306和带通滤波电路同时导通。
在本实施例中，通过设置带通滤波电路304和直流滤波电路306实现对不同的测量需求进行电流信号分量选择，通过设置选择电路308控制带通滤波电路304和直流滤波电路306的导通断开，可便利的适用于直流测量场景、交流测量场景和混合测量场景，大大提高针对不同使用环境的测量便利性。
在一个实施例中，如图4所示，带通滤波电路304为双相锁相放大电路402。
其中，双相锁相放大电路如图5所示，双相锁相放大电路采用双相相敏检测技术的锁相放大器，在锁相放大器上设置了一个并行的锁相放大器，并行的锁相放大器增加了90°移相，称为双相锁相放大电路，双相锁相放大电路利用参考信号与样本信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的样本信号分量。
具体的，输入信号即为采样电路302输出的样本信号，设输入的样本信号为：
Figure 915503DEST_PATH_IMAGE002
式中：SI(t)为输入的样本信号，A为输入信号的幅值，ω为输入信号的频率，α为输入信号的相位，B(t)为总噪声。
设参考信号为：
Figure 852366DEST_PATH_IMAGE004
式中：So(t)为参考信号，C为参考信号的幅值，ωr为参考信号的频率，c为参考信号的相位。
使得ωr=ω，则样本信号和参考信号经前期处理以及双相锁相放大电路输出后，可得：
Figure 199033DEST_PATH_IMAGE006
Figure 642520DEST_PATH_IMAGE008
式中：I(t)为双相锁相放大电路的第一通道输出信号，Q(t)为双相锁相放大电路的第二通道输出信号。
将双相锁相放大电路的第一通道输出信号和第二通道输出信号整合，可以得到所求的交流信号分量。
则交流信号分量的幅值：
Figure 263994DEST_PATH_IMAGE010
则交流信号分量的相角：
Figure 258626DEST_PATH_IMAGE012
在一个实施例中，双相锁相放大电路设定的参考信号频率为50Hz。
具体的，双相锁相放大电路本质上是一个Q值很高（带宽窄）的带通滤波器，其参考频率就是要待解调的信号频率。双相锁相放大电路可以提取出特定频率信号的幅值和相角。在电力系统中，电流传感器主要测量工频电流和直流电流，需要测量的工频信号为50Hz交流电信号。针对这一测量场景，双相锁相放大电路的参考信号频率可以选择为50Hz。
在本实施例中，交直流电流传感器应用于电力系统中时通常只需要测量直流信号和50Hz工频交流信号，将双相锁相放大电路的参考信号频率设定为50Hz，可以更方便的应用于电力系统场景。
在一个实施例中，如图6所示，直流滤波电路306为二阶RC低通直流滤波电路602。
其中，如图7所示，二阶RC低通直流滤波电路602中，第一电阻RA的一端通过第二电阻RB连接采样电路302，并通过第一电容CA连接运算放大器的输出端，第一电阻RA的另一端连接运算放大器的正向输入端，并通过第二电容CB接地，第三电阻RC和第四电阻RD串联且公共端连接运算放大器的反向输入端，第三电阻RC的另一端连接运算放大器的输出端，第四电阻RD的另一端接地。运算放大器的输出端连接选择电路308，将滤波后的电流信号分量输送至选择电路308。
具体的，直流滤波电路306用于选取样本信号的直流电信号分量，需要去除样本信号中的交流干扰。在图7的电路中，二阶RC低通直流滤波电路的截止频率为：
Figure 776195DEST_PATH_IMAGE014
二阶RC低通直流滤波电路的增益取决于运算放大器的电压增益。
进一步的，二阶RC低通直流滤波电路也可以更换为有源二阶低通滤波电路。
在一个实施例中，如图8所示，信号放大电路204包括加法电路802和积分放大电路804，加法电路802连接所述信号选择电路202和积分放大电路804，积分放大电路804连接信号发生器108，加法电路802用于叠加信号选择电路输出的电流信号分量，积分放大电路804用于放大叠加后的信号并传输给信号发生器。
具体的，信号选择电路202输出电流信号分量，加法电路802会对该信号分量进行叠加，实现对信号的代数运算，再经由积分放大电路804对加法电路802输出的信号进行积分运算放大，最终信号发生器108接收该信号并产生对应电流。
在一个实施例中，信号发生器108用于输出反馈电流至反馈线圈109，并根据电流信号分量调节反馈电流的幅值，直至TMR芯片104输出的感应信号为0时，输出对选取的电流信号分量的测量结果；反馈电流用于反馈线圈109产生与被测电流相反的磁场。
具体的，信号发生器108根据接收到信号处理电路106的信号，将该信号转换为电流并输出反馈电流至反馈线圈109，反馈线圈109因为具有电流而产生磁场，该磁场与聚磁铁芯102根据导体100内被测电流产生的磁场相互影响，进而影响TMR芯片104输出的感应信号。其中信号发生器108可以根据接收到的电流信号分量调节反馈电流的幅值，通过改变反馈电流调整磁场直至TMR芯片104位于磁场零点不输出感应信号，将此时根据输出至反馈线圈109的反馈电流计算得到选取的电流信号分量的测量结果。
进一步的，设被测电流为I，反馈线圈109缠绕在聚磁铁芯102上有N扎，信号发生器108输出至反馈线圈109的反馈电流为IS，要使TMR芯片104的输出为零，则要有：
Figure 957909DEST_PATH_IMAGE016
上式成立时，反馈线圈产生的磁场与聚磁铁芯内被测电流产生的磁场相互抵消，TMR芯片104输出的感应信号为0。此时，将反馈电流IS与聚磁铁芯102的扎数N相乘，得到测量结果并输出。
本实施例中，通过输出反馈电流至反馈线圈109，反馈线圈109产生的磁场与聚磁铁芯102根据导体100产生的磁场相互影响，进而影响TMR芯片104输出的感应信号，以此形成闭环反馈，以达到对电流的准确测量。
在一个实施例中，信号发生器108还用于根据电流信号分量调节反馈电流的方向。
具体的，信号发生器108不仅可以改变反馈电流的幅值，还可以根据接收到的电流信号分量改变输出的反馈电流的方向，其中，导体100中被测电流的方向不同，则聚磁铁芯102内汇聚的感应磁场方向也不同，TMR芯片根据聚磁铁芯102的感应磁场产生的感应信号也具有正负之分，其正负由磁场方向决定。因为感应信号有正负之分，所以信号发生器108接收到的电流信号分量也有正负，信号发生器108根据接收到的电流信号分量决定反馈线圈109中反馈电流的方向，从而在反馈线圈109产生与被测电流相反的磁场。
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本申请专利范围的限制。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，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种交直流闭环电流传感器，其特征在于，包括聚磁铁芯、TMR芯片、信号处理电路、信号发生器和反馈线圈，所述TMR芯片设置于所述聚磁铁芯的气隙处，所述TMR芯片与所述信号处理电路连接，所述信号处理电路与所述TMR芯片和所述信号发生器连接，所述反馈线圈缠绕在所述聚磁铁芯上，与所述信号发生器连接，所述聚磁铁芯用于根据被测电流汇聚感应磁场，所述TMR芯片用于根据所述感应磁场输出感应信号，所述信号处理电路用于对所述TMR芯片的感应信号进行选取和放大，得到电流信号分量发送至所述信号发生器，所述信号发生器用于根据电流信号分量调节输出至所述反馈线圈的电流，并输出对选取的电流信号分量的测量结果。
2.根据权利要求1所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括信号选择电路和信号放大电路，所述信号选择电路连接所述TMR芯片和所述信号放大电路，所述信号放大电路连接信号选择电路和所述信号发生器，所述信号选择电路用于选择电流信号分量，所述信号放大电路用于对所述电流信号分量进行放大。
3.根据权利要求2所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述信号选择电路包括采样电路、带通滤波电路、直流滤波电路和选择电路，所述采样电路连接所述TMR芯片、所述带通滤波电路和直流滤波电路，所述选择电路连接所述带通滤波电路、所述直流滤波电路和所述信号放大电路。
4.根据权利要求3所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述采样电路获取所述TMR芯片的信号并输出样本信号，所述带通滤波电路用于根据设定的参考信号频率对所述样本信号进行交流信号分量选择；所述直流滤波电路用于对所述样本信号进行直流信号分量滤波处理，所述选择电路用于将所述带通滤波电路和/或所述直流滤波电路导通。
5.根据权利要求4所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述带通滤波电路为双相锁相放大电路。
6.根据权利要求5所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述双相锁相放大电路设定的参考信号频率为50Hz。
7.根据权利要求4所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述直流滤波电路为二阶RC低通直流滤波电路。
8.根据权利要求2所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述信号放大电路包括加法电路和积分放大电路，所述加法电路连接所述信号选择电路和所述积分放大电路，所述积分放大电路连接所述信号发生器，所述加法电路用于叠加所述信号选择电路输出的电流信号分量，所述积分放大电路用于放大叠加后的信号并传输给所述信号发生器。
9.根据权利要求1所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述信号发生器用于输出反馈电流至所述反馈线圈，并根据电流信号分量调节所述反馈电流的幅值，直至TMR芯片输出的感应信号为0时，输出对选取的电流信号分量的测量结果；所述反馈电流用于所述反馈线圈产生与所述被测电流相反的磁场。
10.根据权利要求9所述的交直流闭环电流传感器，其特征在于，所述信号发生器还用于根据电流信号分量调节所述反馈电流的方向。
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