CN116609560A - 一种磁屏蔽磁环结构及基于该结构的电流传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁屏蔽磁环结构及基于该结构的电流传感器系统，包括：具有磁屏蔽效果的双层磁环、磁电阻传感芯片、硬件信号处理电路、输出与显示终端设备。本发明针对外界干扰磁场对电流传感器正常检测影响的问题，主要采取两个措施：一是提出一种具有磁屏蔽效果的双层磁环结构，能大幅降低外界干扰磁场对磁电阻传感芯片的影响；二是在电流传感器系统中加入校准算法，来达到完全消除外界干扰磁场对电流传感器系统正常检测的影响。

Description

一种磁屏蔽磁环结构及基于该结构的电流传感器系统

技术领域

本发明属于电流传感器技术领域，尤其涉及一种磁屏蔽磁环结构及基于该结构的电流传感器系统。

背景技术

电流传感器是一种检测装置，它能够对待检测的电流信号进行感应，再输出相应的电信号，以达到对电流检测的目的。电流传感器已经广泛应用于航空航天、智能电网、工业控制、汽车电子等领域。

如今常见的电流传感器类型有：罗氏线圈、霍尔、磁通门和磁电阻电流传感器等，其中应用最为广泛的就是霍尔电流传感器和磁电阻电流传感器。霍尔电流传感器具有工作范围宽、响应速度快、功耗低等优点，但是有一些明显的缺陷，比如精确度不够、温度漂移严重，使用时要额外设计对温度漂移的补偿电路，因此不适合大规模的生产使用。而磁电阻式的电流传感器可以在一定程度上弥补霍尔电流传感器的缺陷，它具有热稳定性强、灵敏度高、响应速度快、精确度高等优点。

目前，霍尔电流传感器和磁电阻电流传感器大多采用了具有开口气隙的磁环结构，在磁环上开口可以起到聚集磁场的作用，从而在气隙处得到一个稳定的磁场，来达到电流检测的要求。但这样的开口结构有一个弊端，就是外界的杂散干扰磁场很容易对电流的检测过程造成影响，导致输出结果出现偏差。因此，为了保证传感器的精确度，在设计系统结构时就需要考虑到解决外界干扰磁场这个问题。

随着小信号、高精度电流检测应用场景越来越多，对外界干扰磁场进行屏蔽的研究就显得更为迫切。然而现存的无论是霍尔电流传感器还是磁电阻电流传感器，对磁屏蔽的研究都比较少，并且从已有的关于磁屏蔽的研究来看，大多数研究为了追求屏蔽效果，在设计时采用了结构较为复杂的多层屏蔽层的闭合结构，在实际应用中安装或拆卸较为麻烦。例如，申请号为CN202211349852.2，名称为磁屏蔽装置和电流传感器的专利，磁屏蔽装置设计了至少三层磁屏蔽筒，以及多层盖板，每一层都能形成较薄的闭合屏蔽空间，尽管对外界干扰磁场的屏蔽效果很好，但不适用于工业生产的应用场景，因此屏蔽结构的简单实用也应是一个重要考量。

此外，磁屏蔽结构与磁环结构能否一体化设计和加工，对于传感器的设计来讲也是非常重要的。因此，本发明技术提出了一种磁屏蔽闭合磁环和开口磁环组成的双层结构一体化设计方法及基于该结构的电流传感器系统设计方案。相比完全封闭的磁屏蔽腔或者磁屏蔽封装外壳等结构，可以很大程度上简化设计、降低成本、提高实际应用的可行性。然而，这种双层磁环结构由于不能形成封闭的屏蔽空间，屏蔽效果会有所减弱，因此本发明在传感器系统中加入了针对外界干扰磁场信号的校准消除算法，可进一步地消除外界干扰磁场对电流检测的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种磁屏蔽磁环结构及基于该结构的电流传感器系统，在能达到屏蔽结构简单灵活的同时，保证电流传感器系统在检测时不受外界干扰磁场的影响。

一种磁屏蔽磁环结构包括内外两层磁环，内外两层磁环同心设置在同一平面内。内层是有气隙的磁环，作用是聚集激励电流产生的磁场；外层是没有气隙的磁环，作用是屏蔽和降低外界干扰磁场，以提高系统的精确度。

内外两层磁环通过连接块固定，且两层磁环和连接块均选用具有高磁导率的软磁材料制备，连接块和内外两层磁环一体成型。

一种包括上述磁屏蔽磁环结构的电流传感器系统，包括上述双层磁屏蔽磁环结构、磁电阻传感芯片、硬件信号处理电路、输出与显示终端设备。

所述的磁电阻传感芯片根据其具体的敏感轴方向放置在内层磁环的气隙处，敏感轴方向的放置会与气隙开口截面垂直。

所述的硬件信号处理电路主要由电源电路、采集放大电路、模数转换电路和主控电路组成。电源电路为各部分电路提供工作电压，采集放大电路将磁电阻传感芯片感应到的微弱电压信号进行放大，模数转换电路的作用是把放大后的模拟信号转换成数字信号，而主控电路是指单片机及其最小系统以及其外围电路。

为进一步降低和消除外界干扰磁场对电流传感器系统的影响，在电流传感器系统中引入基于单片机的软件校准算法。具有磁屏蔽效果的双层磁环一般能使外界干扰磁场降低2～3个数量级，再通过软件控制程序及校准算法对由外界磁场干扰引起的检测电流干扰进行校准，将外界干扰磁场完全消除。

所述的输出与显示终端设备可以将电流检测的最终结果输出并显示到设备上。

本发明提出的一种磁屏蔽磁环结构及基于该结构的电流传感器系统，主要目的是为了消除外界干扰磁场对正常电流检测过程的影响，在整个电流传感器系统设计中采取了两个主要措施：一是采用双层磁环的屏蔽结构，大幅度降低磁电阻传感芯片的敏感轴方向上干扰磁场的影响；二是用软件校准算法来进一步消除外界干扰磁场的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例2整体结构示意图；

图3为本发明电流传感器系统的系统框图；

图4为本发明实施例中内层磁环的结构示意图；

图5为本发明实施例中未加外层磁环时气隙处磁感应强度大小与激励电流的关系图；

图6为本发明实施例中气隙处磁感应强度大小随着激励电流继续增大而变化的关系图；

图7为本发明实施例2增加干扰源的示意图；

图8为本发明加外层磁环和不加外层磁环对测量影响的对比关系图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例来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。

实施例1

如图1所示，一种磁屏蔽磁环结构，包括内层磁环2和外层磁环3，内层磁环2和外层磁环3同心设置在同一平面内。

内层磁环2具有开口气隙，气隙的宽度应根据情况适当选取，本实施例中气隙宽度选为2mm，内层磁环的制作材料选用具有高磁导率的软磁材料坡莫合金；

外层磁环3为没有开口的圆环形，包围在内层磁环的外部，其制作材料同样选用坡莫合金。

激励电流导线1穿过磁环环内空心区域的中心处，本实施例中为了加强其对较大电流的承受能力，所以激励电流导线是由铜质材料制成的铜棒，尺寸和形状是直径为16mm，长度为80mm的圆柱形；

在内层磁环2气隙内设置有磁电阻传感芯片4，所述的磁电阻传感芯片选用基于巨磁电阻效应的GMR传感芯片或基于隧穿磁阻效应的TMR传感芯片。

对于磁电阻电流传感器，其中的磁电阻传感芯片对磁场的方向这一因素很敏感，所以在使用时，一般都会根据磁场的来向，把磁电阻传感芯片的方向设置在对磁场最敏感的方向，这个方向称为磁电阻传感芯片的敏感轴方向。因此在设计磁屏蔽层时，为了实现磁环结构的实用性和小型化，只需要在磁电阻传感芯片的敏感轴方向加上较厚的一层磁屏蔽环，从而组成双层磁环的结构，就能在很大程度上降低外界干扰磁场对磁电阻传感芯片的影响。

本实施例中电流传感器系统中磁屏蔽磁环结构的内外两层磁环选择不连接的形式，两层磁环连接与否对电流检测的影响并不大，此处的细微偏差可以由后续的软件校准算法有效去除。

实施例2

为了将两层磁环的相对位置固定，如图2所示，实施例2和实施例1的结构大致相同，区别点在于：将内外两层磁环通过连接块5连接，且连接块5的材料也为坡莫合金；

如图3所示，一种包括上述实施例中的磁屏蔽磁环结构的电流传感器系统，包括实施例1或实施例2任意一种双层磁屏蔽磁环结构、磁电阻传感芯片、硬件信号处理电路、输出与显示终端设备。

内层磁环的结构尺寸是决定该电流传感器量程的一个重要因素，因此在设计时需要重点考虑。内层磁环的结构如图4所示，本实施例中将内层磁环的内直径和外直径分别设置为40mm和60mm，高度设置为12mm。

通过Maxwell 16软件对磁环进行仿真，逐渐增大激励电流，测量气隙处磁感应强度大小。如图5所示，气隙处磁感应强度大小随激励电流大小线性变化，可得B＝k·I中k的取值为0.6272；即在理想情况下，内层磁环未饱和时，气隙处磁感应强度大小与激励电流大小满足关系式：B＝0.6272·I。继续增大激励电流，当气隙处磁感应强度B不再随激励电流线性变化时，说明内层磁环饱和，而这个激励电流的大小就决定了该电流传感器的量程。

如图6所示，当激励电流增加到550A左右时，继续增加激励电流，磁感应强度B并没有增加，因此该电流传感器的量程大约会在±550A左右。

所述外层磁环的尺寸则是决定该外层磁环屏蔽外界干扰磁场效果的主要因素，因此需要对外层磁环的不同厚度进行屏蔽效果对比。如图7所示，在外层磁环的外部加上一个干扰源6，该干扰源在内层磁环气隙中心处施加一个磁感应强度大小为2mT，方向为内层磁环气隙方向的干扰磁场，并定义屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)为不加外层磁环时气隙处磁感应强度大小与加外层磁环时气隙处磁感应强度大小的比值。通过仿真外层磁环的厚度为8mm，10mm，12mm，14mm时，干扰磁场的大小由2mT分别降低为458.3951μT，254.6671μT，194.0511μT，98.6881μT，屏蔽效能SE分别为4.3631，7.8534，10.3066，20.2659，并且继续增加外层磁环的厚度到16mm时，屏蔽效果可达到3个数量级以上，于是将外层磁环的厚度取定为16mm。

为了对比加外层磁环和不加外层磁环对电流测量的影响，如图8所示，本实施例用折线图的形式，给出了两种情况下气隙处磁感应强度随激励电流大小的变化图，未加外层磁环情况下，激励电流为0A时，磁感应强度并不为0，而加上外层磁环后，磁感应强度几乎为0，可以直观地看出，本实施例中的外层磁环能有效地将外界干扰磁场降低2～3个数量级，可较为有效的降低外界干扰磁场对电流检测的影响。这在大多数的实际应用中已经可以达到磁屏蔽的效果。

所述硬件信号处理电路包括信号放大模块、信号反馈模块和信号处理模块。其中信号放大模块主要由仪表放大器和功率放大器组成，仪表放大器用于放大从磁电阻传感芯片接收到的微弱信号，由于经由仪表放大器放大之后的信号电流较小，因此用功率放大器对信号进行功率放大，以驱动后续的反馈线圈。信号反馈模块主要由反馈线圈和采样电阻组成，反馈线圈的作用是在磁电阻传感芯片处产生一个与激励电流导线产生磁场大小相等、方向相反的磁场，来抵消激励电流导线在该点产生的磁场，从而实现闭环反馈，再从采样电阻处采集到反馈线圈上的电流大小。信号处理模块主要由差分放大器、ADC芯片和主控单片机组成，差分放大器用于放大从采样电阻处采集到的信号，将这个信号送至ADC芯片进行模拟信号向数字信号的转换，最后由主控单片机接收并处理计算得到结果。

此外，如果想要进一步降低和消除外界干扰磁场对电流传感器系统的影响，可在电流传感器系统中引入基于单片机的软件校准算法。磁电阻传感芯片的灵敏度参数指标为一定值，而磁感应强度B随激励电流I的变化在量程范围内是线性的，所以电流传感器的激励电流输入与输出的电压信号也应该是线性关系；因此外界干扰磁场的磁感应强度ΔB与干扰磁场引起待测电流的误差ΔI也满足一定的线性关系，可以在测量之前测得ΔI的值，正常测量时在测量结果的基础上对待测电流的值进行修正，从而完全消除外界干扰磁场对电流传感器检测结果的影响。

所述输出与显示终端设备主要由电脑作为上位机来实现，将主控单片机计算得到的结果通过串口输出到电脑端的上位机上显示，可以直观地、实时地对电流测量的过程进行监测。

虽然本发明所述的具体实施方式如上，但是以上内容只是为了便于理解本发明而采用的具体实施方式，显然以上具体实施方式只是示范性的，具体研究时并不限于上述实施例的细节。因此，本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在具体实施的形式及细节上作借鉴和修改，但本发明的专利保护范围，仍应以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种磁屏蔽磁环结构，其特征在于：包括内外两层磁环，内外两层磁环同心设置在同一平面内；内层是有气隙的磁环，用于聚集激励电流产生的磁场；外层是没有气隙的磁环，用于屏蔽和降低外界干扰磁场；两层磁环均选用具有高磁导率的软磁材料制成。

2.如权利要求1所述的磁屏蔽磁环结构，其特征在于：所述的内外两层磁环通过连接块固定，所述连接块选用具有高磁导率的软磁材料制成，连接块和内外两层磁环一体成型。

3.一种电流传感器系统，其特征在于：包括权利要求1所述的双层磁屏蔽磁环结构、磁电阻传感芯片、硬件信号处理电路、输出与显示终端设备。

所述的磁电阻传感芯片根据其具体的敏感轴方向放置在内层磁环的气隙处。

所述的硬件信号处理电路包括电源电路、采集放大电路、模数转换电路和主控电路。电源电路为各部分电路提供工作电压，采集放大电路将磁电阻传感芯片感应到的微弱电压信号进行放大，模数转换电路的作用是把放大后的模拟信号转换成数字信号，而主控电路是指单片机及其最小系统以及其外围电路。

为进一步降低和消除外界干扰磁场对电流传感器系统的影响，在电流传感器系统中引入基于单片机的软件校准算法。具有磁屏蔽效果的双层磁环能使外界干扰磁场降低2～3个数量级，再通过软件校准算法对由外界磁场干扰引起的检测电流干扰进行校准，将外界干扰磁场完全消除。

所述的输出与显示终端设备将电流检测的最终结果输出并显示到设备上。

4.如权利要求3所述的电流传感器系统，其特征在于：所述的软件校准算法，具体为：

将磁电阻传感芯片的灵敏度参数指标为一定值，而磁感应强度B随激励电流I的变化在量程范围内是线性的，所以电流传感器的激励电流输入与输出的电压信号也应该是线性关系；因此外界干扰磁场的磁感应强度ΔB与干扰磁场引起待测电流的误差ΔI也满足一定的线性关系，在测量之前测得ΔI的值，正常测量时在测量结果的基础上对待测电流的值进行修正，从而完全消除外界干扰磁场对电流传感器检测结果的影响。