CN216847918U - 一种铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁心‑环形阵列多环磁敏电流传感器，所述传感器包括：第一环结构，套设于导线上，用于获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号；第二环结构，套设于导线上，用于测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号；数字处理单元，用于根据反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。本实用新型以双气隙铁心为第一环结构，以安装多块磁敏芯片的无铁心环形阵列为第二环结构，基于零磁通原理设计闭环反馈结构，电流传感器结合铁心结构和无铁心结构的优势，能够有效减少偏心、串扰等误差影响，基于隧道磁电阻元件实现高准确度的电流测量。

Description

一种铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器

技术领域

本实用新型涉及电测量技术领域，并且更具体地，涉及一种芯-环形阵列多环磁敏电流传感器。

背景技术

针对电力系统普遍存在的电流测量需求，传统的铁心电流传感器有了不少的应用，但是其不佳的线性度和温度稳定性会影响测量结果，而且不适用于保护等宽量程需求。磁传感阵列是代替磁传感器加磁芯的有效方式，是解决空间干扰、磁芯饱和等问题的有效解决办法。随着隧道磁电阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)等磁传感器的发展与成本降低，使得多个磁电阻传感器组成阵列进行非接触式电流测量变为可能，其基本原理是基于安培电流环路定律，利用围绕在载流导体周围的多个TMR传感器测量磁场，磁传感器的加和近似于闭合环路。使用环形磁传感器阵列方式测量电流有以下优势：环形磁传感器阵列使用无铁心结构，不存在饱和问题，大大提高了瞬态性能，可以广泛应用于各类保护故障测量。但是由于串扰噪声等因素的影响，环形阵列电流传感器的精度仍有待提高。

现有技术一基于离散傅里叶变换(DFT)的磁传感器阵列为了减少串扰误差的影响，在环形阵列传感器的输出部分增加了数字信号处理单元，结合传感器输出信号设计了基于DFT的信号处理算法。所提出的算法原理为被测导体周围磁场的傅立叶展开。傅里叶系数的解析表达式在磁场是有通过垂直于阵列平面的电流产生的情况下在均匀场的存在中得出，环形磁传感器阵列将被测导体周围的磁场映射，实现传感器数据的空间离散傅里叶变换。测量的电流值则由非线性系统求逆给出。缺点在于：基于离散傅里叶变换(DFT)的磁传感器阵列模型只考虑了圆形截面导体的情况，但是由在矩形截面导体中流动的直流电流产生的磁场不具有径向对称性，导致以母线为中心的圆形阵列的传感器无法测量相同的磁场值。如果通过DFT算法处理传感器数据，则会出现数量级大于零的磁场空间谐波。非零谐波也会归因于串扰场，难以将阵列内部电流的贡献与外部电流的贡献区分开。环形阵列传感器失去铁心聚磁作用，准确度有所不足，而通过DFT算法改进的环形阵列传感器对电流测量准确度的提升程度有限。

现有技术二的双霍尔元件磁敏电流传感器。被测电流导体在传感器环状磁路中的位置改变时，传感器的输出信号有较大的变化，即位置误差较大，针对这一问题，在磁敏电流传感器磁路上开双气隙，气隙中各安装一只霍尔元件并加上了适当的信号处理部件，制成了双霍尔元件磁敏电流传感器。因被测电流导线位置不同而引起两只霍尔元件处磁场不同时所产生的不相等的霍尔电压经电路并联连接按并联电容的等效电路合成后，传感器的输出值为两只霍尔元件输出值的算术平均值。这实现了对位置误差的完全补偿。缺点在于：1.铁心结构存在饱和情况，其非线性误差会影响电流测量的范围和准确性，另外其温度稳定性也会影响传感器的长期使用； 2.霍尔传感器具有固有的缺陷，即灵敏度低、功耗高和线性度差。

实用新型内容

本实用新型提出一种芯-环形阵列多环磁敏电流传感器，以解决如何测量电流，减小测量误差的问题。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种铁心- 环形阵列多环磁敏电流传感器，所述传感器包括：第一环结构、第二环结构和数字处理单元，其中，

所述第一环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述数字处理单元；

所述第二环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号，并将所述第二磁场信号输出至所述数字处理单元；

所述数字处理单元，用于根据所述反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。

优选地，其中所述第一环结构包括：铁心、反馈电流获取电路和补偿绕组；其中，

所述铁心为对称开了双气隙的开口铁心，每个气隙处均设置有第一隧道磁电阻TMR传感芯片，所述第一TMR传感芯片用于测量所述第一磁场信号；

所述反馈电流获取电路，用于通过对两个第一TMR传感芯片测量的第一磁场信号进行平均，以获取第一磁场平均信号，基于所述第一磁场平均信号通过放大器生成反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述补偿绕组和数字处理单元；

所述补偿绕组均匀缠绕在所述铁心上，用于根据所述反馈电流信号生成补偿磁场，以使得补偿磁场与所述第一磁场信号进行叠加，控制传感器维持在零磁通状态。

优选地，其中所述第二环结构包括：四个第二TMR传感芯片，四个第二TMR传感芯片并联且等距对称设置在环形空心外壳内，所述第二TMR传感芯片用于获取所述第二磁场信号。

优选地，其中所述环形空心外壳外部设置有双层金属屏蔽层。

优选地，其中所述数字处理单元，包括：模数转换模块、数字处理模块和数模转换模块；

所述模数转换模块，与所述数字处理模块相连接，用于对所述反馈电流信号和第二磁场信号由模拟量转换为数字量；

所述数字处理模块，与所述数模转换模块相连接，用于根据转换为数字量的反馈电流信号和第二磁场信号计算所述表征导线电流的特征量；

所述数模转换模块，用于将所述表征导线电流的特征量由数字量转换为模拟量，以根据转换为模拟量的表征导线电流的特征量确定导线上的电流。

优选地，其中所述传感器还包括：

电源单元，用于为第一TMR传感芯片和第二TMR传感芯片供电。

本实用新型提供了一种铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器，包括：第一环结构，套设于导线上，用于获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号；第二环结构，套设于导线上，用于测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号；数字处理单元，用于根据反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。本实用新型能够针对直流配电网、电动汽车直流充电桩等电力系统电流测量场景，基于采用隧道磁电阻传感技术来感应待测电流生成的磁场的磁敏元件，以双气隙铁心为第一环结构，以安装多块磁敏芯片的无铁心环形阵列为第二环结构，基于零磁通原理设计闭环反馈结构，通过数字信号处理结合两路测量结果确定电流大小，本实用新型的电流传感器结合铁心结构和无铁心结构的优势，能够有效减少偏心、串扰等误差影响，拓展应用范围，基于隧道磁电阻元件实现高准确度的电流测量。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式：

图1为根据本实用新型实施方式的铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器100的结构示意图；

图2为根据本实用新型实施方式的铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器的组成结构图；

图3为根据本实用新型实施方式的第一环结构的电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本实用新型实施方式的铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器100的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施方式提供的铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器，能够针对直流配电网、电动汽车直流充电桩等电力系统电流测量场景，基于采用隧道磁电阻传感技术来感应待测电流生成的磁场的磁敏元件，以双气隙铁心为第一环结构，以安装多块磁敏芯片的无铁心环形阵列为第二环结构，基于零磁通原理设计闭环反馈结构，通过数字信号处理结合两路测量结果确定电流大小，本实用新型的电流传感器结合铁心结构和无铁心结构的优势，能够有效减少偏心、串扰等误差影响，拓展应用范围，基于隧道磁电阻元件实现高准确度的电流测量。本实用新型实施方式提供的铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器100，包括：第一环结构101、第二环结构102和数字处理单元103。

优选地，所述第一环结构101，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述数字处理单元。

优选地，其中所述第一环结构包括：铁心、反馈电流获取电路和补偿绕组；其中，

所述铁心为对称开了双气隙的开口铁心，每个气隙处均设置有第一隧道磁电阻TMR传感芯片，所述第一TMR传感芯片用于测量所述第一磁场信号；

所述反馈电流获取电路，用于通过对两个第一TMR传感芯片测量的第一磁场信号进行平均，以获取第一磁场平均信号，基于所述第一磁场平均信号通过放大器生成反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述补偿绕组和数字处理单元；

所述补偿绕组均匀缠绕在所述铁心上，用于根据所述反馈电流信号生成补偿磁场，以使得补偿磁场与所述第一磁场信号进行叠加，控制传感器维持在零磁通状态。

优选地，其中所述传感器还包括：

电源单元，用于为第一TMR传感芯片供电。

结合图2所示，在本实用新型中，第一环结构包括铁心、反馈电流获取电路和补偿绕组。其中，所述的铁心为对称开了双气隙的开口铁心，气隙处各安装了一块TMR芯片，每个第一TMR芯片均用于测量一次侧电流生成的磁场。其中，由电源单元(图中未示出)为第一TMR芯片供电。第一环结构中的反馈电流获取电路通过并联电路将两个第一TMR芯片测量的第一磁场信号进行平均，将平均后的结果输出至放大器，通过放大器生成反馈电流，并将反馈电流输出至补偿绕组和数字信号处理单元。第一环结构中的补偿绕组均匀缠绕在铁心上，补偿绕组用于接收反馈电流获取电路生成的反馈电流，以生成补偿磁场，并与一次侧电流生成的磁场叠加，使得将传感器维持在零磁通状态。

具体的第一环结构的电路如图3所示，其中，环一中的反馈电流获取电路首先通过并联电路将两个TMR芯片的测量结果进行平均，然后通过运算放大器和反馈电路生成反馈电流，输入补偿绕组和数字信号处理单元。

优选地，所述第二环结构102，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号，并将所述第二磁场信号输出至所述数字处理单元。

优选地，其中所述第二环结构包括：四个第二TMR传感芯片，四个第二TMR传感芯片并联且等距对称设置在环形空心外壳内，所述第二TMR传感芯片用于获取所述第二磁场信号。

优选地，其中所述环形空心外壳外部设置有双层金属屏蔽层。

优选地，其中所述传感器还包括：

电源单元，用于为第二TMR传感芯片供电。

结合图2所示，在本实用新型中，第二环结构包括四个第二TMR传感芯片，四个第二TMR传感芯片等距对称安装在环形空心外壳内，环形空心外壳外侧有双层金属屏蔽层。第二环结构利用四个第二TMR芯片测到测量线圈内由电流生成的磁场，将获取的四个第二磁场信号输出至数字信号处理单元。其中，其中，由电源单元(图中未示出)为第二TMR芯片供电。

优选地，所述数字处理单元103，用于根据所述反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。

优选地，其中所述数字处理单元，包括：模数转换模块、数字处理模块和数模转换模块；

所述模数转换模块，与所述数字处理模块相连接，用于对所述反馈电流信号和第二磁场信号由模拟量转换为数字量；

所述数字处理模块，与所述数模转换模块相连接，用于根据转换为数字量的反馈电流信号和第二磁场信号计算所述表征导线电流的特征量；

所述数模转换模块，用于将所述表征导线电流的特征量由数字量转换为模拟量，以根据转换为模拟量的表征导线电流的特征量确定导线上的电流。

优选地，其中所述利用数字处理模块根据转换为数字量的反馈电流信号和第二磁场信号计算所述表征导线电流的特征量，包括：

在第一预设量程范围内，基于所述第二磁场信号对反馈电流信号进行偏心误差的修正，获取所述表征导线电流的特征量；

在第二预设量程范围内，基于所述第二磁场信号对反馈电流信号进行串扰误差的修正，获取所述表征导线电流的特征量；

在瞬态响应的应用场景，基于所述第二磁场信号计算算数平均值，以获取所述表征导线电流的特征量。

在本实用新型中，数字信号处理单元103包括：模数转换模块、数字信号处理模块和数模转换模块组成。其中，所述的模数转换模块由片上12 位A/D转换器对双环测量后的信号(反馈电流信号和四个第二磁场信号) 进行高速采样，并将采样后的数据转换为数字信号输入至数字信号处理模块，以通过数字信号处理模块计算并输出表征导线电流的特征量。

在本实用新型中，在通过数字信号处理模块计算表征导线电流的特征量时，低端量程部分以第一环结构为主环由第二环结构修正，高端量程部分以第二环结构为主环由第一环结构修正，瞬态传感功能由第二环结构实现。数字信号处理模块可实现如下功能：在低端量程范围内，以第一环结构的测量结果为主，由第二环结构4个TMR芯片的测量结果修正其偏心误差；在高端量程范围内，以第二环结构的测量结果为主，由第一环结构的测量结果修正其串扰误差；在瞬态响应的应用场景，直接将第二环结构4 个TMR芯片的测量结果求其算术平均值输出。

在本实用新型中，数字信号处理单元中的数模转换模块接收到数字信号处理模块输出的表征导线电流的特征量后，再通过数模转换模块转化为模拟电压信号输出，作为传感器的最终输出，通过传感器输出的模拟电压信号即可确定测量的导线上的电流大小。

本实用新型的铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器，第一环结构为带补偿绕组的双气隙开口铁心，测量一次电流和反馈电流生成的叠加磁场，实现传感功能；第二环结构为磁传感环形阵列，实现快速测量并减少偏心误差；数字信号处理单元将双环的测量结果进行结合，针对不同的应用场景，实现修正误差和扩大测量范围的目的，应用本实用新型可以研制出适用于电力系统计量和保护等广泛领域的高精度电流传感器。

已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器，其特征在于，所述传感器包括：第一环结构、第二环结构和数字处理单元，其中，

所述第一环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述数字处理单元；

所述第二环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号，并将所述第二磁场信号输出至所述数字处理单元；

所述数字处理单元，用于根据所述反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一环结构包括：铁心、反馈电流获取电路和补偿绕组；其中，

所述铁心为对称开了双气隙的开口铁心，每个气隙处均设置有第一TMR传感芯片，所述第一TMR传感芯片用于测量所述第一磁场信号；

所述反馈电流获取电路，用于通过对两个第一TMR传感芯片测量的第一磁场信号进行平均，以获取第一磁场平均信号，基于所述第一磁场平均信号通过放大器生成反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述补偿绕组和数字处理单元；

所述补偿绕组均匀缠绕在所述铁心上，用于根据所述反馈电流信号生成补偿磁场，以使得补偿磁场与所述第一磁场信号进行叠加，控制传感器维持在零磁通状态。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二环结构包括：四个第二TMR传感芯片，四个第二TMR传感芯片并联且等距对称设置在环形空心外壳内，所述第二TMR传感芯片用于获取所述第二磁场信号。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述环形空心外壳外部设置有双层金属屏蔽层。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述数字处理单元，包括：模数转换模块、数字处理模块和数模转换模块；

所述模数转换模块，与所述数字处理模块相连接，用于对所述反馈电流信号和第二磁场信号由模拟量转换为数字量；

所述数字处理模块，与所述数模转换模块相连接，用于根据转换为数字量的反馈电流信号和第二磁场信号计算所述表征导线电流的特征量；

所述数模转换模块，用于将所述表征导线电流的特征量由数字量转换为模拟量，以根据转换为模拟量的表征导线电流的特征量确定导线上的电流。

6.根据权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：

电源单元，用于为第一TMR传感芯片和第二TMR传感芯片供电。

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