CN117519397B - 一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，涉及传感器技术领域，包括：第一稳压模块、第二稳压模块和电流偏置可调模块；第一稳压模块的输入端与磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，第一稳压模块的输出端与电流偏置可调模块的第一输入端连接；第二稳压模块的输入端与磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，第二稳压模块的输出端与电流偏置可调模块的第二输入端连接；电流偏置可调模块的输出端与磁平衡电流传感器的磁感线圈连接。本发明通过两个稳压模块输出准确的电压并通过电流偏置可调模块输出可调偏置电流，将其叠加至磁平衡电流传感器的补偿电流上，实现了对补偿电流范围的调节，提高了磁平衡电流传感器的应用范围。

Description

一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路。
背景技术
近年来，电子行业的飞速发展使得传感器在各行业的应用越来越广泛，电力、石油、化工、铁路、通信、汽车等行业对传感器的应用需求也在不断增加。在很多应用场景中，需要用到带偏置电流的电流传感器，即当检测电流为零时，传感器的输出电流值为某一非零值；当通入正向检测电流时，传感器的输出电流值大于该值，反之则小于该值。目前，常用的电流传感器偏置电流为4mA，其零点输出电流值无法调节大小，使得其应用具有一定的局限性。在许多要求10mA、25mA或者其他零点偏置的应用场景中，零点偏置电流可调的磁平衡电流传感器具有绝对性的应用优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，可实现对补偿电流范围的调节，提高磁平衡电流传感器的应用范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，所述零点偏置可调电路的输出端与所述磁平衡电流传感器的被测电阻的一端连接，所述被测电阻的一端为所述被测电阻和磁平衡电流传感器的电磁线圈连接的一端，所述零点偏置可调电路包括：第一稳压模块、第二稳压模块和电流偏置可调模块；
所述第一稳压模块的输入端与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述第一稳压模块的输出端与所述电流偏置可调模块的第一输入端连接；所述第一稳压模块的接地端接地；
所述第二稳压模块的输入端与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述第二稳压模块的输出端与所述电流偏置可调模块的第二输入端连接；所述第二稳压模块的接地端接地；
所述电流偏置可调模块的输出端与所述磁平衡电流传感器的磁感线圈连接。
可选的，所述第一稳压模块具体包括：线性稳压器U1、电容C3和电容C4；
所述线性稳压器U1的输入端和所述电容C3的一端均与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述线性稳压器U1的输出端分别与所述电容C4的一端和所述电流偏置可调模块的第一输入端连接，所述线性稳压器U1的接地端、所述电容C3的另一端和所述电容C4的另一端均接地。
可选的，所述第二稳压模块，具体包括：线性稳压器U2、电容C1和电容C2；
所述线性稳压器U2的输入端和所述电容C1的一端均与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述线性稳压器U2的输出端分别与所述电容C2的一端和所述电流偏置可调模块的第二输入端连接接，所述线性稳压器U2的接地端、所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端均接地。
可选的，所述电流偏置可调模块具体包括：运算放大器U3、三极管Q和电阻R；
所述电阻R的一端与所述第一稳压模块的输出端连接，所述电阻R的另一端分别与所述运算放大器U3的正输入端和所述三极管Q的发射极连接，所述运算放大器U3的输出端与所述三极管Q的基极连接，所述三极管Q的集电极与所述磁平衡电流传感器的磁感线圈连接；所述电阻R的阻值可调节。
可选的，所述零点偏置可调电路还包括：二极管D1；
所述二极管D1的阳极与所述三极管Q的集电极连接，所述二极管D1的阴极与磁平衡电流传感器的磁平衡电流传感器的被测电阻的一端连接，所述二极管用于防止电流倒灌。
可选的，所述线性稳压器U1的型号为78L12。
可选的，所述线性稳压器U2的型号为78L05。
可选的，所述三极管Q的型号为KTB3166。
可选的，所述运算放大器U3的型号为TPA1882。
可选的，所述二极管D1的型号为1N4007。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过两个稳压模块输出准确的电压并通过电流偏置可调模块输出可调偏置电流，将可调偏置电流叠加至磁平衡电流传感器的补偿电流上，实现了对补偿电流范围的调节，提高了磁平衡电流传感器的应用范围。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路的电路图。
图2为本发明实施例提供的一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路中二极管防倒灌电路的电路图。
图3为本发明实施例提供的一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路的磁平衡电流传感器的电路图。
图5为本发明实施例提供的一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路的20mA偏置电流仿真图。
图6为本发明实施例提供的一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路的50mA偏置电流仿真图。
符号说明：
线性稳压器-U1；线性稳压器-U2；运算放大器-U3；电容-C1；电容-C2；电容-C3；电容-C4；三极管-Q；电阻-R；二极管-D1和磁敏芯片B。
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。
本发明的目的是提供一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，通过两个稳压模块输出准确的电压并通过电流偏置可调模块输出可调偏置电流，将可调偏置电流叠加至磁平衡电流传感器的补偿电流上，实现对补偿电流范围的调节，提高磁平衡电流传感器的应用范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，零点偏置可调电路的输出端与磁平衡电流传感器的被测电阻的一端连接，所述被测电阻的一端为所述被测电阻和磁平衡电流传感器的电磁线圈连接的一端，零点偏置可调电路包括：第一稳压模块、第二稳压模块和电流偏置可调模块。
第一稳压模块的输入端与磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，第一稳压模块的输出端与电流偏置可调模块的第一输入端连接；第一稳压模块的接地端接地。
作为一种可选的实施方式，第一稳压模块具体包括：线性稳压器U1、电容C3和电容C4；线性稳压器U1的输入端和电容C3的一端均与磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，线性稳压器U1的输出端分别与电容C4的一端和电流偏置可调模块的第一输入端连接，线性稳压器U1的接地端、电容C3的另一端和电容C4的另一端均接地。线性稳压器U1的型号为78L12。
第二稳压模块的输入端与磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，第二稳压模块的输出端与电流偏置可调模块的第二输入端连接；第二稳压模块的接地端接地。
作为一种可选的实施方式，第二稳压模块，具体包括：线性稳压器U2、电容C1和电容C2；线性稳压器U2的输入端和电容C1的一端均与磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，线性稳压器U2的输出端分别与电容C2的一端和电流偏置可调模块的第二输入端连接接，线性稳压器U2的接地端、电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地。线性稳压器U2的型号为78L05。
电流偏置可调模块的输出端与磁平衡电流传感器的磁感线圈连接。可选的，电流偏置可调模块的偏置电流I0的范围为0-50mA。
作为一种可选的实施方式，电流偏置可调模块具体包括：运算放大器U3、三极管Q和电阻R；电阻R的一端与第一稳压模块的输出端连接，电阻R的另一端分别与运算放大器U3的正输入端和三极管Q的发射极连接，运算放大器U3的输出端与三极管Q的基极连接，三极管Q的集电极与磁平衡电流传感器的磁感线圈连接；电阻R的阻值可调节。运算放大器U3的型号为TPA1882，三极管Q的型号为1N4007。
如图3-图4所示，磁平衡电流传感器也称为闭环式电流传感器，闭环电流传感器在开环的基础上增加了一个补偿线圈，通过线圈补偿电流使磁平衡电流传感器的磁敏芯片B始终处于一个零磁通的状态下工作，以此提高磁平衡电流传感器的性能。其工作原理为：当磁平衡电流传感器通入被测电流信号时，被测电流信号将在线圈磁环中产生于其方向垂直的磁场，由于在高磁导率材料磁芯中串联一个非磁气隙，因而几乎全部激励磁场加在气隙上。气隙中垂直放入磁敏芯片B，依据霍尔效应原理，磁场垂直加在一个同有电流的磁敏芯片B上，则在磁敏芯片B的两端将会产生一个差分输出信号，输出信号经运算放大输出用于驱动三极管导通，并于线圈中产生补偿电流Is。补偿电流Is再通过线圈次级多匝绕组产生磁场，该磁场与原边被测电流I1产生的磁场正好相反，因而对原磁场进行补偿，当原边磁场与副边磁场相等时补偿电流Is稳定不再增大，此时达到零磁通状态，即：I1N1=N2Is。
其中，I1为原边被测电流，N1为原边匝数，N2为副边匝数，NS为副边补偿电流。
由于磁平衡电流传感器的零点输出电流为任意不为零的固定电流，因此在传统无偏置电流传感器的基础上需增设偏置电流电路，根据欧姆定律U/I=R，为保证偏置电流的精确性与稳定性，由于线性稳压器的输出电压稳定性非常高，输出电压波动很小，且其噪声非常低，因此可以提供稳定的偏置电压U。利用高精度高稳定性的线性稳压源产生偏置电压信号，在偏置电流电路中通过调节偏置电流电路阻值，可设置任意零点偏置电流I0。磁平衡电流传感器通入被测电流信号I1，线圈中产生补偿电流Is对应输出电流Iout为：Iout=I0+Is。
本发明利用线性稳压器U1和线性稳压器U2将磁平衡电流传感器的末级功放管集电极的15V电压分别转换为稳定的12V和5V，通过运算放大器U3跟随5V电压，导通三极管Q，同时在电阻R两端产生偏置电压U=7V。根据欧姆定律，通过调节电阻R的大小，可得到任意需要的偏置电流I0，偏置电流I0可在0～50mA范围内调节。当无待测电流输入时，磁平衡电流传感器对应输出电流Iout=I0。
如图2所示，作为一种可选的实施方式，零点偏置可调电路还包括：二极管D1；二极管D1的阳极与三极管Q的集电极连接，二极管D1的阴极与磁平衡电流传感器的磁平衡电流传感器的被测电阻的一端连接，二极管用于防止电流倒灌。二极管D1的型号为1N4007。
磁平衡电流传感器的输出电流Iout是由零点偏置电流I0与补偿电流Is两部分组成，为防止零点偏置电流倒灌流入线圈，影响输出信号的准确度及线性度，在实际应用中，需在I0与Is两条支路上增设二极管D1和二极管D2，二极管D2的阴极与磁平衡电流传感器的电感L1的一端连接，二极管D2的阳极与磁平衡电流传感器的被测电阻R测的一端连接，保证电路单向导通，反向截止。当通入正向的待测电流时，线圈产生一个正向的补偿电流Is，此时磁平衡电流传感器输出电流Iout=I0+Is；当通入反向的待测电流时，线圈产生一个反向的补偿电流Is，由于二极管具有单向导通性，该电流无法流经输出端，此时磁平衡电流传感器输出Iout=I0。
该发明线性测量范围为0～+200A，输出电流范围为0～+100mA，其测试数据如表1所示：
由表1数据可知，磁平衡电流传感器的零点失调电流仅有13uA，且零点偏置电流为高精度、低温漂基准稳压源提供，磁平衡电流传感器的磁敏芯片B内部为基于隧道磁阻效应的惠斯通全桥电路，具有优越的温度稳定性，根据测试数据显示传感器精度＜0.5%。
通过调节电阻R的阻值，将磁平衡电流传感器的零点偏置电流设置为+20mA，并对调试后的磁平衡电流传感器进行测试，测试数据如表2所示：
通过上述两组数据对比可知，该零点偏置可调电路能够实现磁平衡电流传感器的零点偏置电流可调功能，同时具有较高的精度和稳定性。
如图5所示，对基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路进行电路仿真，设置零点偏置电流I0值为20mA，补偿电流Is值为100mA，则输出电流Iout值应为120mA。
如图6所示，调整偏置电流电路阻值，使零点偏置电流I0值为50mA，补偿电流Is值设为100mA，则输出电流Iout值应为150mA。
本发明通过两个稳压模块输出准确的电压并通过电流偏置可调模块输出可调偏置电流，将可调偏置电流叠加至磁平衡电流传感器的补偿电流上，实现了对补偿电流范围的调节，提高了磁平衡电流传感器的应用范围。本发明能够实现磁平衡电流传感器偏置电流的可调性，用于检测直流输入电流信号时，零点输出值为一设定的非零电流值，并在此基础上检测输入信号且保证输出信号与输入信号成线性。
本发明利用磁平衡电流传感器检测线圈气隙中的磁场变化产生差分电压，通过后级放大推挽输出，产生与待测电流线性的输出信号，同时利用线性稳压器生成高精度、高稳定性的偏置电流，在输出端将两电流信号累加，从而实现零点偏置电流可调的功能。磁通检测电路采用高性能双端输出的线性霍尔传感器的磁敏芯片B，保证差分电压准确稳定；电压比较及推挽输出电路合理的解决了数百安的输入电流信号所产生的功耗问题；偏置电路可以在一定范围内调节零点偏置电流值。其结构简单、可靠性高、体积小，在检测高达数百安培的直流电流信号时，可线性输出一个有精准可调直流偏置电流信号。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，其特征在于，所述零点偏置可调电路的输出端与所述磁平衡电流传感器的被测电阻的一端连接，所述被测电阻的一端为所述被测电阻和磁平衡电流传感器的电磁线圈连接的一端，所述零点偏置可调电路包括：第一稳压模块、第二稳压模块和电流偏置可调模块；
所述第一稳压模块的输入端与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述第一稳压模块的输出端与所述电流偏置可调模块的第一输入端连接；所述第一稳压模块的接地端接地；所述第一稳压模块具体包括：线性稳压器U1、电容C3和电容C4；所述线性稳压器U1的输入端和所述电容C3的一端均与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述线性稳压器U1的输出端分别与所述电容C4的一端和所述电流偏置可调模块的第一输入端连接，所述线性稳压器U1的接地端、所述电容C3的另一端和所述电容C4的另一端均接地；
所述第二稳压模块的输入端与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述第二稳压模块的输出端与所述电流偏置可调模块的第二输入端连接；所述第二稳压模块的接地端接地；所述第二稳压模块，具体包括：线性稳压器U2、电容C1和电容C2；所述线性稳压器U2的输入端和所述电容C1的一端均与所述磁平衡电流传感器的末级功放管集电极连接，所述线性稳压器U2的输出端分别与所述电容C2的一端和所述电流偏置可调模块的第二输入端连接，所述线性稳压器U2的接地端、所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端均接地；
所述电流偏置可调模块的输出端与所述磁平衡电流传感器的磁感线圈连接，所述电流偏置可调模块具体包括：运算放大器U3、三极管Q和电阻R；所述电阻R的一端与所述第一稳压模块的输出端连接，所述电阻R的另一端分别与所述运算放大器U3的正输入端和所述三极管Q的发射极连接，所述运算放大器U3的输出端与所述三极管Q的基极连接，所述三极管Q的集电极与所述磁平衡电流传感器的磁感线圈连接；所述电阻R的阻值可调节。
2.根据权利要求1所述的基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，其特征在于，所述零点偏置可调电路还包括：二极管D1；
所述二极管D1的阳极与所述三极管Q的集电极连接，所述二极管D1的阴极与磁平衡电流传感器的磁平衡电流传感器的被测电阻的一端连接，所述二极管用于防止电流倒灌。
3.根据权利要求1所述的基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，其特征在于，所述线性稳压器U1的型号为78L12。
4.根据权利要求1所述的基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，其特征在于，所述线性稳压器U2的型号为78L05。
5.根据权利要求1所述的基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，其特征在于，所述三极管Q的型号为KTB3166。
6.根据权利要求1所述的基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，其特征在于，所述运算放大器U3的型号为TPA1882。
7.根据权利要求2所述的基于磁平衡电流传感器的零点偏置可调电路，其特征在于，所述二极管D1的型号为1N4007。
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