CN214622808U - 一种基于隧道磁电阻的钳形电流表 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于隧道磁电阻的钳形电流表，包括：钳头组件；基座，其设于钳头组件中；柔性电路板，其设于基座上；隧道磁电阻组，其具有相对地设置在基座上的第一隧道磁电阻、第二隧道磁电阻，以根据被测电流分别获取一正一负的正感应电压、负感应电压；信号处理装置，其通过柔性电路板与隧道磁电阻组连接，用于依次对正感应电压、负感应电压进行差分放大、加法减法运算及模数转换处理。提供了较大的有效测量区域，消除了外界干扰磁场对测量结果的干扰；采用隧道磁电阻替代传统的霍尔元件，其频带可达0～100kHz；并可测量mA级别至1000A以上的电流；同时避免了测量位置的附加误差，提高了本产品的测量精度。

Description

一种基于隧道磁电阻的钳形电流表

技术领域

本实用新型涉及钳形电流表技术领域，具体涉及一种基于隧道磁电阻的钳形电流表。

背景技术

钳形电流表是理想的非接触式测量电流的工具；目前，市场上的钳形电流表主要有三种方式实现：

一是使用集磁铁芯结合霍尔元件方案，可以测量ACA(交流电流)和DCA(直流电流)；

二是使用带集磁铁芯的线圈方案，基于法拉弟原理测量电流；

三是使用无集磁铁芯的空芯线圈方案。

但本申请实用新型人在实现本申请实施例中实用新型技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

使用带集磁铁芯的线圈方案，它的最大缺点是不能直接测量DCA；使用无集磁铁芯的空芯线圈方案，由于没有集磁铁芯，致使钳表灵敏度低，同样不能直接测量DCA；

此外，使用集磁铁芯结合霍尔元件方案及使用带集磁铁芯的线圈方案还存在共同的缺点：铁芯的磁饱和和涡流现象成为钳表幅度线性范围和频带线性范围的瓶颈，铁芯的磁饱现象致使更高的测量范围需要更大的铁芯，不利于使用。而涡流现象使得钳表不能准确测量更高频率的电流。同时，这些钳表由于开口漏磁和器件参数不完全一致，造成测量区域内不同位置的测量结果偏差较大，也就是说存在较大测量位置的附加误差；同样的，使用无集磁铁芯的空芯线圈方案，由于开口和线圈绕制不均匀，同样也存在较大测量位置的附加误差。

实用新型内容

鉴于上述测量位置的附加误差过大的问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于隧道磁电阻的钳形电流表。

依据本实用新型的一个方面，提供一种基于隧道磁电阻的钳形电流表，包括：

钳头组件；

基座，其设于所述钳头组件中；

柔性电路板，其设于所述基座上，

隧道磁电阻组，其具有相对地设置在所述基座上的第一隧道磁电阻、第二隧道磁电阻，以根据被测电流分别获取一正一负的正感应电压、负感应电压；

信号处理装置，其通过所述柔性电路板与所述隧道磁电阻组连接，用于依次对所述正感应电压、负感应电压进行差分放大、减法运算及模数转换处理。

优选的，所述钳头组件包括：

第一活动钳臂；

第二活动钳臂，其首端与所述第一活动钳臂的首端铰接，其末端与所述第一活动钳臂的末端扣合；

所述第二活动钳臂的末端设有突出的卡紧块，所述第一活动钳臂的末端对应所述卡紧块设有卡紧块固定件，以卡紧固定所述卡紧块。

优选的，所述基座包括：

第一基部，其设于所述第一活动钳臂中；

第二基部，其设于所述第二活动钳臂中；

其中，所述第一隧道磁电阻设置在所述第二基部的首端，所述第二隧道磁电阻设置在所述第二基部的末端。

优选的，所述信号处理装置包括：

差分放大电路，其与所述隧道磁电阻组连接，用于对所述正感应电压、负感应电压进行差分放大处理，使所述正感应电压、负感应电压转化为第一放大电压、第二放大电压；

减法减法电路，其与所述差分放大电路连接，用于对所述第一放大电压、第二放大电压执行减法运算，以获得结果电压；

A/D转换电路，其与所述减法减法电路连接，用于将所述结果电压转换为结果信息输出，所述结果信息为数字信号。

优选的，所述信号处理装置还包括平衡调节电路，该平衡调节电路包括：

电压调节组件，其输入端与所述差分放大电路连接，其输出端与所述减法减法电路连接。

优选的，所述差分放大电路，包括：

第一差分放大器，其正输入端与所述第一隧道磁电阻的正连接端连接，其负输入端与所述第一隧道磁电阻的负连接端连接，其输出端通过所述电压调节组件与所述减法电路连接；

第二差分放大器，其正输入端与所述第二隧道磁电阻的正连接端连接，其负输入端与所述第二隧道磁电阻的负连接端连接，其输出端与所述减法电路连接。

优选的，所述减法减法电路，包括：

减法器，所述减法器的负输入端与所述电压调节组件的输出端连接，所述减法器的正输入端与所述第二差分放大器的输出端连接，所述减法器的输出端与所述A/D转换电路连接。

优选的，所述电压调节组件，包括：

第一可变电阻器，所述第一差分放大器的输出端与所述第一可变电阻器的滑动触头连接，所述减法器的负输入端与所述第一可变电阻器的输出端连接。

优选的，所述第电压调节组件，还包括：

平衡电阻，其输入端与所述第二差分放大器连接，其输出端与所述减法器的正输入端连接。

优选的，所述第一活动钳臂朝向所述第二活动钳臂的一侧设有第一弧形槽，所述第二活动钳臂朝向所述第一活动钳臂的一侧设有第二弧形槽；

所述第一弧形槽、第二弧形槽共同构成测量区域。

本实用新型的有益效果为：本实用新型结构设计合理巧妙，提供了一种基于隧道磁电阻的钳形电流表，提供了较大的有效测量区域，消除了外界干扰磁场对测量结果的干扰；采用隧道磁电阻替代传统的霍尔元件，整个测量系统没有明显的频带瓶颈，隧道磁电阻对静态磁通和交变磁通均敏感，隧道磁电阻本身的频带可达10MHz以上，选用高带宽的差分放大器做信号处理，即可轻松地将频带做到0～100kHz；另外，隧道磁电阻的的灵敏度高，可测量mA级别的电流。再由于相对的第一隧道磁电阻、第二隧道磁电阻结合第一可变电阻器实现了平衡调整，避免了测量位置的附加误差，提高了本产品的测量精度。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例中一种无集磁铁芯的钳形电流表的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中一种无集磁铁芯的钳形电流表的电路图；

图3是本实用新型实施例中测量区域内的被测电流产生的磁场示意图；

图4是本实用新型实施例中测量区域外的干挠磁场示意图；

图5是本实用新型实施例中钳头组件的内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1至图5，依据本实用新型的一个方面，本实用新型实施例提供一种基于隧道磁电阻的钳形电流表，包括：

钳头组件；

基座，其设于所述钳头组件中；

柔性电路板3，其设于所述基座上，

隧道磁电阻组，其具有两两相对地设置在所述基座上的第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2，以根据被测电流分别获取一正一负的正感应电压、负感应电压；

信号处理装置，其通过所述柔性电路板3与所述隧道磁电阻组连接，用于依次对所述正感应电压、负感应电压进行差分放大、减法运算及模数转换处理。

优选的，所述钳头组件包括：

第一活动钳臂11；

第二活动钳臂12，其首端与所述第一活动钳臂的首端铰接，其末端与所述第一活动钳臂11的末端扣合；

所述第二活动钳臂12的末端设有突出的卡紧块121，所述第一活动钳臂11的末端对应所述卡紧块设有卡紧块固定件，以卡紧固定所述卡紧块。

优选的，所述基座包括：

第一基部21，其设于所述第一活动钳臂中；

第二基部22，其设于所述第二活动钳臂中；

其中，所述第一隧道磁电阻A1设置在所述第二基部的首端，所述第二隧道磁电阻A2设置在所述第二基部的末端。

具体地，通过第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2分别感应被测电流获取一正一负的正感应电压、负感应电压，再通过信号处理装置对正感应电压进行差分放大处理、对负感应电压进行差分放大处理后获得第一放大电压、第二放大电压，并将第一放大电压、第二放大电压相减后获得与被测电流成正比的电压，最后对这个电压进行模数转换后输出显示电流大小，便实现了对被测电流的测量。即本实用新型在不采用集磁铁芯的前提下，实现了对直流电流的直接测量。

优选的，所述信号处理装置包括：

差分放大电路，其与所述隧道磁电阻组连接，用于对所述正感应电压、负感应电压进行差分放大处理，使所述正感应电压、负感应电压转化为第一放大电压、第二放大电压；

减法减法电路，其与所述差分放大电路连接，用于对所述第一放大电压、第二放大电压执行减法运算，以获得结果电压；

A/D转换电路，其与所述减法减法电路连接，用于将所述结果电压转换为结果信息输出，所述结果信息为数字信号。

具体地，所述结果信息是数字信号，该数字信号用于标称被测电流的电流大小，例如1mA、100mA等。

优选的，所述信号处理装置还包括平衡调节电路，该平衡调节电路包括：

电压调节组件，其输入端与所述差分放大电路连接，其输出端与所述减法减法电路连接；

优选的，所述差分放大电路，包括：

第一差分放大器V1，其正输入端与所述第一隧道磁电阻A1的正连接端连接，其负输入端与所述第一隧道磁电阻A1的负连接端连接，其输出端通过所述电压调节组件与所述减法电路连接；

第二差分放大器V2，其正输入端与所述第二隧道磁电阻A2的正连接端连接，其负输入端与所述第二隧道磁电阻A2的负连接端连接，其输出端与所述减法电路连接。

优选的，所述减法减法电路，包括：

减法器V3，所述减法器V3的负输入端与若干所述电压调节组件的输出端连接，所述减法器V3的正输入端与所述第二差分放大器的输出端连接，所述减法器V3的输出端与所述A/D转换电路连接。

在另一较佳的实施例中，所述电压调节组件，还可以包括：

第一电位器，其输入端与所述第一差分放大器V1的输出端连接，其输出端与所述减法器V3的负输入端连接；

第二电位器，其输入端与所述第二差分放大器V2的输出端连接，其输出端与所述减法器V3的负输入端连接。

进一步地，本实用新型第一隧道磁电阻A1的数量与若干隧道磁电阻组的数量相同，第二隧道磁电阻A2的数量与若干隧道磁电阻组的数量相同；第一差分放大器V1的数量与第一隧道磁电阻A1的数量相同，第二差分放大器V2的数量与第二隧道磁电阻A2的数量相同；而第一差分放大器V2的数量仅为一个，所有第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2共用一个第一差分放大器V2，即在增加平衡调整功能后也保持了良好的产品经济性。另外，减法器V3的数量也仅为一个，用于对所有的第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2感应所得的电压做减法处理。

优选的，所述电压调节组件，包括：

第一可变电阻器VR1，所述第一差分放大器V1的输出端与所述第一可变电阻器VR1的滑动触头连接，所述减法器V3的负输入端与所述第一可变电阻器VR1的输出端连接。

优选的，所述第电压调节组件，还包括：

平衡电阻R6，其输入端与所述第二差分放大器V2连接，其输出端与所述减法器V3的正输入端连接。

具体地，由不同的隧道磁电阻阵列组成的不同的钳形电流表对于同一个电流感应到的电压是不同的，但感应电压总与被测电流成比例，所以，在出厂前需要对每台钳形电流表进行校准才能让机子准确测量。

本实施例中，通过调节第一可变电阻器VR1的阻值，使得第一差分放大器V1输出的经第一可变电阻器VR1调整的第一放大电压与所述第二差分放大器V2输出的经平衡电阻R6调整的第二放大电压相等；即可抵消第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2的灵敏度差异带来的测量误差。

优选的，所述钳头组件，包括：

第一活动钳臂11；

第二活动钳臂12，其首端与所述第一活动钳臂11的首端铰接，其末端与所述第一活动钳臂11的末端扣合；

其中，所述第一活动钳臂11朝向所述第二活动钳臂12的一侧设有第一弧形槽，所述第二活动钳臂12朝向所述第一活动钳臂11的一侧设有第二弧形槽；

所述第一弧形槽、第二弧形槽共同构成测量区域13。

进一步地，若干第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2中心对称放置在第一活动钳臂11、第二活动钳臂12上，即第一隧道磁电阻A1到测量区域13中心的距离月第二隧道磁电阻A2到测量区域13中心的距离相等，进一步提高本钳形电流表的测量稳定性。

进一步地，还可以设置成各第一隧道磁电阻A1/第二隧道磁电阻A2到测量区域13中心的距离相等，进一步提高本钳形电流表的测量稳定性；并且，所述测量区域13实际上是若干第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2所围绕的区域，只不过第一活动钳臂11、第二活动钳臂12存在壳体，所以本实施例中，测量区域13由所述第一弧形槽、第二弧形槽共同构成。

另外，第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2相对设置，还使得本实用新型具有良好的抗干扰作用，如图3所示，图中G1指的是被测电流产生的磁通方向，由于每一组隧道磁电阻组中的第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2以中心对称放置，测量区域13内被测电流产生的磁通一正一反地通过第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2，所以被测电流产生的磁通令第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2产生的感应电压一正一负，而两第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2的信号接入差分放大器故将得到两路相反极性的第一放大电压、第二放大电压；这两个电压经过后级减法器V3后幅度加倍得到测量取样电压Va，并且这个测量取样电压与被测电流正比；而对于外界的干扰磁场，如图4所示，外界的干扰磁场G2同方向地通过第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2，所以外界的干扰磁场产生的感应电压是同极性的，这两个电压经反极性地做差分放大后，得到互为同极性的电压，再经后级减法器V3后将产生抵消，达到抗干扰的目的。

综上，本实用新型提供的基于隧道磁电阻的钳形电流表，提供了较大的有效测量区域13，消除了外界干扰磁场对测量结果的干扰；采用隧道磁电阻替代传统的霍尔元件，整个测量系统没有明显的频带瓶颈，隧道磁电阻对静态磁通和交变磁通均敏感，隧道磁电阻本身的频带可达10MHz以上，选用高带宽的差分放大器做信号处理，即可轻松地将频带做到0～100kHz；另外，隧道磁电阻的的灵敏度高，可测量mA级别的电流。再由于相对的第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2结合第一可变电阻器VR1实现了平衡调整，避免了测量位置的附加误差，提高了本产品的测量精度。

在进行平衡调整时，手持本钳形电流表，使带电导体I在测量区域13的边缘移动至少一周；

节第一可变电阻器VR1的阻值，使得第一差分放大器V1输出的经第一可变电阻器VR1调整的第一放大电压与所述第二差分放大器V2输出的经平衡电阻R6调整的第二放大电压相等，最终抵消灵敏度的差异。

本实用新型结构设计合理巧妙，提供了一种基于隧道磁电阻的钳形电流表，提供了较大的有效测量区域13，消除了外界干扰磁场对测量结果的干扰；采用隧道磁电阻替代传统的霍尔元件，整个测量系统没有明显的频带瓶颈，隧道磁电阻对静态磁通和交变磁通均敏感，隧道磁电阻本身的频带可达10MHz以上，选用高带宽的差分放大器做信号处理，即可轻松地将频带做到0～100kHz；另外，隧道磁电阻的的灵敏度高，可测量mA级别的电流。再由于相对的第一隧道磁电阻A1、第二隧道磁电阻A2结合第一可变电阻器VR1实现了平衡调整，避免了测量位置的附加误差，提高了本产品的测量精度。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

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单元来实现本实用新型实施例方案的目的。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种基于隧道磁电阻的钳形电流表，其特征在于，包括：

钳头组件；

基座，其设于所述钳头组件中；

柔性电路板，其设于所述基座上；

隧道磁电阻组，其具有相对地设置在所述基座上的第一隧道磁电阻、第二隧道磁电阻，以根据被测电流分别获取一正一负的正感应电压、负感应电压；

信号处理装置，其通过所述柔性电路板与所述隧道磁电阻组连接，用于依次对所述正感应电压、负感应电压进行差分放大、减法运算及模数转换处理。

2.根据权利要求1所述基于隧道磁电阻的钳形电流表，其特征在于，所述钳头组件包括：

第一活动钳臂；

第二活动钳臂，其首端与所述第一活动钳臂的首端铰接，其末端与所述第一活动钳臂的末端扣合；

所述第二活动钳臂的末端设有突出的卡紧块，所述第一活动钳臂的末端对应所述卡紧块设有卡紧块固定件，以卡紧固定所述卡紧块。

3.根据权利要求1所述基于隧道磁电阻的钳形电流表，其特征在于，所述基座包括：

第一基部，其设于所述第一活动钳臂中；

第二基部，其设于所述第二活动钳臂中；

其中，所述第一隧道磁电阻设置在所述第二基部的首端，所述第二隧道磁电阻设置在所述第二基部的末端。

4.根据权利要求1所述基于隧道磁电阻的钳形电流表，其特征在于，所述信号处理装置包括：

差分放大电路，其与所述隧道磁电阻组连接，用于对所述正感应电压、负感应电压进行差分放大处理，使所述正感应电压、负感应电压转化为第一放大电压、第二放大电压；

减法电路，其与所述差分放大电路连接，用于对所述第一放大电压、第二放大电压执行减法减法运算，以获得结果电压；

A/D转换电路，其与所述减法减法电路连接，用于将所述结果电压转换为结果信息输出，所述结果信息为数字信号。

5.根据权利要求4所述钳形电流表，其特征在于，所述信号处理装置还包括平衡调节电路，该平衡调节电路包括：

电压调节组件，其输入端与所述差分放大电路连接，其输出端与所述减法减法电路连接。

6.根据权利要求5所述钳形电流表，其特征在于，所述差分放大电路，包括：

第一差分放大器，其正输入端与所述第一隧道磁电阻的正连接端连接，其负输入端与所述第一隧道磁电阻的负连接端连接，其输出端通过所述电压调节组件与所述减法电路连接；

第二差分放大器，其正输入端与所述第二隧道磁电阻的正连接端连接，其负输入端与所述第二隧道磁电阻的负连接端连接，其输出端与所述减法电路连接。

7.根据权利要求6所述钳形电流表，其特征在于，所述减法减法电路，包括：

减法器，所述减法器的负输入端与所述电压调节组件的输出端连接，所述减法器的正输入端与所述第二差分放大器的输出端连接，所述减法器的输出端与所述A/D转换电路连接。

8.根据权利要求7所述钳形电流表，其特征在于，所述电压调节组件，包括：

第一可变电阻器，所述第一差分放大器的输出端与所述第一可变电阻器的滑动触头连接，所述减法器的负输入端与所述第一可变电阻器的输出端连接。

9.根据权利要求8所述钳形电流表，其特征在于，所述电压调节组件，还包括：

平衡电阻，其输入端与所述第二差分放大器连接，其输出端与所述减法器的正输入端连接。

10.根据权利要求3所述钳形电流表，其特征在于，所述第一活动钳臂朝向所述第二活动钳臂的一侧设有第一弧形槽，所述第二活动钳臂朝向所述第一活动钳臂的一侧设有第二弧形槽；

所述第一弧形槽、第二弧形槽共同构成测量区域。

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