CN115707976A

CN115707976A - 一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器

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Publication number: CN115707976A
Application number: CN202110962875.XA
Authority: CN
Inventors: 朱建国; 郭宇恒; 吴肖骏; 邢洁; 钱正洪; 白茹
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-02-21

Abstract

本发明公开了一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器，其特点是利用铁基非晶材料制成磁环，将测试电流产生的磁通线向同一方向聚集，在非晶磁环上开4个均匀分布的气隙。将若干个巨磁电阻自旋芯片设置于气隙和磁环的适当位置，通过测试巨磁电阻自旋芯片的磁场大小来检测位于非晶磁环中心的导线所通过电流大小。本发明提高了具有多气隙非晶磁芯的电流传感器可检测的电流量程，获得的电流传感器具有灵敏度高、量程宽、线性度好等特点。

Description

一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器

技术领域

本发明涉及电子检测设备制造技术领域，更具体地说，涉及一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器。

背景技术

在采矿冶金、轨道交通、电力输配、电解电镀、航空航天、核能利用、船舶军工等领域存在着从0A到10000A、从0Hz到几百MHz及以上的直流电、交流电和脉冲电流。如何对如此宽量程(宽频、宽电流)的电流进行精确检测和度量正成为一个难度极大的问题。电流的计量和校准逐步成为了事关人员安全、产品质量、经济效益、节能减排、环境保护、科技突破等的重大问题。

非晶材料特点为短程有序而长程无序、磁各向异性低，具有高饱和磁化强度、低矫顽力、高磁导率、高电阻率等特点，科学家们已经先后研制了FePC、FeCo、FeCoBSiNb、FeSiBNbCu、FeZrBCu、FeCoZrBCu等非晶铁基材料。相比硅钢而言，铁基非晶材料电阻率约为硅钢的3倍，铁损为取向硅钢的1/4，工作频率可达几百千赫兹。如经纵向磁场退火后的Fe₈₂Si_3.8B_13.9C_0.3非晶合金的饱和磁感应强度高达1.61T，损耗(P_50Hz,1.4T)低至0.257W/kg。

1988年费尔、格林贝格等在铁/铬/铁多层膜结构中发现了巨磁阻效应，并因此获得了2007年度的诺贝尔物理学奖。基于巨磁阻效应开发的巨磁阻自旋芯片具有灵敏度高、温漂小、线性度好等优点而被广泛应用于磁存储、磁记录和磁检测等领域，尤其在电磁转换式电流传感器领域有着独特的应用。利用巨磁阻自旋芯片的阻值-磁场的正比例线性响应关系，通过直接测试通电直导线周围所产生的磁场大小，利用“输入电流-磁场-电阻-输出电压”四者之间的正比例变化关系，从而完成电流的检测功能。但巨磁阻自旋芯片的可测磁场的线性度范围比较窄，不能直接测试大电流产生的磁场信号，需要在电流传感器的结构上有所突破。

目前在电流传感器的研究和设计过程中存在三方面的难点：

1、由于大电流传感器通常体积大、重量大、构造复杂，因此拆装及搬运非常不便。如果测试对象经常处于小电流和大电流间断转化的工作模式时，那么要想完成不同量程的电流的检测就必须同时安装两种电流传感器-小电流传感器和大电流传感器。

2、出于电流传感器自身所安装环境的特点、用电安全原则和不间断运行特性等的局限，其调试、校准和检测等只适宜于在现场进行，而一般大电流环境下都存在着电磁辐射大且频谱范围宽的电磁干扰，能够同时测量小电流和大电流信号检测的宽量程电流传感器，在微弱小电流信号检测时如何抵抗周围环境的电磁干扰而提高测试精度。

3、电流包括稳态电流(如直流电和交流电)、脉冲电流和暂态大电流，因此理想的电流传感器应该同时具备检测以上三种电流的能力，它不仅能检测直流电流还要能检测高达几百kHz量级的瞬态电流，且测量电流的幅值从mA级到万安级，电流测试量程和频带均非常宽。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足提供一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器，不仅能够大幅度提高电流传感器的工作量程，同时还具有较高的检测精度和线性度。

一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器，包括具有多气隙的非晶磁环(传感器磁芯)、自旋传感芯片模块、数据处理模块和多传感器融合模块等。所述的多气隙非晶磁环为非晶金属制成的外径340-360毫米，内径为140-160毫米，高100-120毫米的磁环。在与磁环中心线垂直的平面上，沿0°、90°、180°、270°处分别开设一条宽度为2-5毫米的空隙。4-16个巨磁阻自旋芯片组成的传感器模块分别设置于气隙与磁环的内环交界处、通电导线边缘处、两个气隙之间的紧靠磁环内环面位置等处，这些巨磁阻自旋芯片的敏感轴方向与气隙和磁环中心的连线垂直。

所述巨磁阻自旋传感芯片模块由4个～16个在磁环内排列两两对称的自旋芯片组成，其中自旋芯片是由四个自旋阀结构的巨磁阻组成的惠斯通屏蔽式电桥结构所构成。自旋芯片内部的磁路设计采取了直线型路径结构，并通过覆盖磁场屏蔽器的方式消除外磁场对巨磁阻阻值的影响。

所述数据处理模块把芯片组采集的微弱差分信号进行放大处理，使之满足后续信号处理要求及仪表测量量程要求。

所述多传感器融合模块采用了均值算法，主要由ADC模块组成，可将数据处理模块输出的放大信号进行模数转换，对自旋芯片组输出的4个信号进行融合处理，从而能够提高器件的抗干扰能力。

本发明采用开有4条气隙的非晶磁环将大电流产生的信号磁场分流并衰减为较弱磁场，从而提高了巨磁阻自旋芯片可检测的电流工作量程。采用巨磁阻自旋芯片模块测试磁场，可进一步提高电流传感器的精度和线性度。

本发明与现有的技术相比，具有如下优点：

1.灵敏度高、工作量程宽和线性度好；

2.电流测试范围从100毫安倍到10，000安培，工作频率0-400kHz。

附图说明

图1为具有多气隙非晶磁环的电流传感器系统设计图。

图2为非晶磁环示意图，中心为通过电流I的导线。

图3为非晶磁芯结构俯视图(a)和侧视图(b)。

图4为巨磁阻自旋芯片的电桥结构示意图。

图5为巨磁阻自旋芯片的内部磁路设计及屏蔽结构设计示意图。

图6为巨磁阻自旋芯片测试时的点位分布示意图。

图7为具有多气隙非晶磁环的电流传感器的磁分流测试结果数据图。

图8为具有多气隙非晶磁环的电流传感器的探头性能测试数据图。

图9为具有多气隙非晶磁环的电流传感器的电流测试数据图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器系统架构设计模型图。本文设计的具有多气隙非晶磁环的电流传感器由具有多气隙非晶磁环、巨磁阻自旋传感芯片模块、数据处理模块和多传感器融合模块四大部分组成。

如图2所示，基于铁基非晶材料制备的磁环，中心为通过电流的导线。电流导线选用铜制材料，垂直穿过磁环所在的平面向内，铜棒与磁环的圆心重合。磁环选用型号为FA-0100的铁基非晶材料，其饱和磁感应强度Ms为1.5T，居里温度Tc为535℃，电阻率ρ为137μΩ·cm，磁导率μ为20,000。磁环内半径为70mm，外半径为170mm，磁环气隙为4mm，磁环高度为100mm，磁环气隙个数为4个且在磁环上对称分布。具体尺寸和气隙的布局如图3所示。

如图4所示，采用自旋阀材料设计了惠斯通屏蔽式结构的巨磁阻自旋芯片。

如图5所示，巨磁阻自旋芯片的内部磁路设计采用了直线型结构，屏蔽设计则采用了外覆盖磁场屏蔽器的方式。

根据量程需要，4-16个巨磁阻自旋芯片分别设置于气隙与磁环的内环交界处、通电导线边缘处、两个气隙之间的紧靠磁环内环面位置等处，这些巨磁阻自旋芯片的敏感轴方向与气隙和磁环中心的连线垂直，如图6所示。

如图7所示为具有多气隙非晶磁环电流传感器的大电流信号和小电流信号测试结果数据图。从电流测试结果来看，测试电流和磁感应强度成正比例的线性变化关系，磁感应强度-电流均满足自旋传感芯片线性工作要求及传感器设计指标要求。

如图8所示为具有多气隙非晶磁环电流传感器的探头性能测试数据图。发现有屏蔽时探头的灵敏度较无屏蔽时更高，但是均满足设计指标要求。

如图9所示为具有多气隙非晶磁环电流传感器的电流测试数据图。发现小电流信号测试时的性能输出结果表明传感器在无负反馈的工作模式下的测试电流和输出电压(I-U)成标准的正比例线性变化关系，几乎看不到波动现象。从图9中可以看出，在大电流信号测试时，传感器的电流-电压响应关系均非常好，灵敏度高、线性度好，能完成最高检测10000A的大电流的目标。

本发明采用铁基非晶材料制备的带4条气隙的磁环，可以将大电流产生的信号磁场分流并衰减为较弱磁场，从而提高了巨磁阻自旋芯片可检测的电流量程。采用巨磁阻自旋芯片测试磁场，可进一步提高电流传感器的精度和线性度。

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，因此旨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。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，基于附图所示的方位或位置关系，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

Claims

1.一种具有多气隙非晶磁环的电流传感器，包括具有多气隙的非晶磁环(传感器磁芯)、自旋传感芯片模块、数据处理模块和多传感器融合模块等，其特征在于：所述的多气隙非晶磁环为铁基非晶材料制成的外径340-360毫米，内径为140-160毫米，高100-120毫米的磁环；在与磁环中心线垂直的平面上，沿0°、90°、180°、270°处分别开设一条宽度为2-5毫米的空隙；4-16个巨磁阻自旋芯片组成的传感器模块分别设置于气隙与磁环的内环交界处、通电导线边缘处、两个气隙之间的紧靠磁环内环面位置等处，这些巨磁阻自旋芯片的敏感轴方向与气隙和磁环中心的连线垂直。

2.如权利要求1所述的具有多气隙非晶磁环的电流传感器，其特征在于：自旋传感芯片模块由4个～16个在磁环内排列两两对称的自旋芯片组成，其中巨磁阻自旋芯片是由四个巨磁阻自旋阀结构组成的惠斯通屏蔽式电桥结构所构成；巨磁阻自旋芯片内部的磁路设计采取了直线型路径结构，并通过覆盖磁场屏蔽器的方式消除外磁场对巨磁阻自旋芯片的影响。

3.如权利要求1所述的具有多气隙非晶磁环的电流传感器，其特征在于：数据处理模块把芯片组采集的微弱差分信号进行放大处理，使之满足后续信号处理要求及仪表测量量程要求。

4.如权利要求1所述的具有多气隙非晶磁环的电流传感器，其特征在于：多传感器融合模块采用了均值算法，主要由ADC模块组成，可将数据处理模块输出的放大信号进行模数转换，对巨磁阻自旋芯片组输出的信号进行融合处理，从而能够提高器件的抗干扰能力。

5.如权利要求1所述的具有多气隙非晶磁环的电流传感器，其特征在于：所测试的电流范围为100mA到10,000A，工作频率为0-400kHz。