CN219811394U - 一种基于tmr微弱电流传感器的磁芯及线圈组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电流传感器领域，具体涉及一种基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，它包括两瓣式磁芯、反馈线圈和磁芯套管，所述两瓣式磁芯包括第一导磁芯和第二导磁芯，第一导磁芯和第二导磁芯一侧紧密接触，另一侧留有间隙；所述磁芯套管设置在第一导磁芯和第二导磁芯相接处，并能够将第一导磁芯和第二导磁芯固定住；所述反馈线圈绕设在磁芯套管外侧，用于产生反馈电流以补偿不平衡磁场。本实用新型的组件结构能够更好得适应特定得测试条件，并且方型两瓣式磁芯便于磁芯中心点的提取和固定，能够更好的保持传感器测量的精确度；能够满足对各种测量环境或条件下对待测电流的便捷可拆卸式测量，同时满足传感器高灵敏度、高精确度的测量要求。

Description

一种基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件

技术领域

本实用新型属于电流传感器领域，更具体地，涉及一种基于隧穿磁阻效应微弱电流传感器的磁芯及线圈组件。

背景技术

电流传感器是现代传感器产业的一个重要分支，随着科学技术的稳步快速发展，信息数据的获取在如今互联网信息化时代具有十分重要的意义。特别是对于微弱信号的获取，虽然在获取的过程中存在较大的难度，但在实际应用中具有较大的价值。近些年来，微弱电流的检测在信号处理，测量技术，通讯技术，信息技术等领域得到较为广泛的应用，并极大促进了相关领域的发展。

电流传感器的研究可按照测量方式和测量原理去划分，其中按测量方式可分为接触式测量和非接触式测量；按测量原理可分为基于欧姆定律，基于安培环路定律和其他间接测量技术三大类。其中基于欧姆定律的分流器是唯一的一类接触式电流传感器，其他均为非接触式电流传感器。非接触式电流传感器按原理进行划分，其中基于安培环路定律的电流传感器又分为直接测量磁感应强度B和法拉第电磁感应定律测量两种方式。直接测量磁感应强度B的电流传感器有霍尔电流传感器、磁通门电流感器、磁电阻电流传感器；应用法拉第电磁感应定律的有罗氏线圈和电流互感器。其他间接测量技术电流传感器主要利用磁场与其他物理学原理或效应结合进行测量。这些电流传感器均有其各自最适合的应用场景。

基于欧姆定律的分流器属于接入式测量，其优点是成本低，应用方便；但它存在热稳定误差，并且测量时电流损耗大，无电气绝缘，存在安全问题且测量精度相对低。电流互感器分为交流电流互感器和直流电流互感器。交流电流互感器其优点是高稳定性和耐高击穿电压，但它不适合测量频率过高或过低的电流，会产生很大误差。直流电流互感器其缺点是被测电流不能过大以及结构不方便安装拆卸。罗氏线圈电流传感器不存在铁芯的饱和特性，无磁滞效应，优点是高耐击穿电压，体积小，价格低，容易安装，罗氏线圈尤其适合高频电流、大电流及瞬态电流的测量，但目前研制出的罗氏线圈电流传感器无法驱动一些常用的后继设备，同时也易受外界干扰磁场影响，这无疑限制了该传感器的应用。霍尔电流传感器开环结构的电流精度等级为1.0级，闭环结构具有更高的精度，精度等级为0.1级或更高。其限制是不适合测量过大或过小的电流，击穿电压低，并且闭环结构在测量大电流时，需要提高驱动电路的驱动能力。

以上电流传感器由于各自缺陷的限制，均不适用于微弱电流测量的研究。下面针对微弱电流的研究对剩下几类传感器进行说明。首先磁通门电流传感器的应用相对成熟，其在测量微弱电流的应用上也较为广泛。磁通门电流传感器是利用被磁化铁体在饱和区域内的非线性电流来测量磁场，其结构包括磁芯，励磁线圈和感应线圈，根据需求不同，磁通门的结构多种多样。其电流测量范围为mA-A级别，分辨率在在10uA-100uA。相对之前提到的传感器，精度有所提高，具有零点漂移低，分辨率和灵敏度高，带宽大，响应速度快等优点，但其成本高，不便安装且制作工艺复杂。

伴随着磁阻效应的发现，基于磁阻效应的电流传感器也获得广泛的应用，其中包括基于各向异性磁阻电流(AMR)传感器，巨磁阻电流传感器(GMR)，基于隧穿磁阻效应电流传感器(TMR)三种类型。基于磁阻效应的电流传感器各方面性能都较之其他传感器有很大提升，应用更为广泛，非线性度低、线性范围宽、响应快，频率范围可达DC-1000kHz，但其存在温度漂移，零点漂移，以及功耗大等限制，需要对这些问题进行优化改进。如今AMR、GMR和TMR等几种类型的元件都在实际中得到了应用，特别是应用在电流传感器中。其中AMR、GMR等元件的灵敏度相对较高，但是线性范围不够。而TMR电流传感器则在实际应用中具备更为明显的优势，灵敏度也相对更高，并且在线性度上也相对更好。然而大多TMR电流传感器均是闭合型磁芯、磁芯固定不可拆卸的结构形式，这就大大限制了传感器的应用范围，导致某些特定坏境下测量的不便，因此，如何通过对传感器磁环结构的设计做改进从而实现对于微弱电流的便捷灵活测量存在一定的研究意义。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件。考虑到闭环结构型的TMR电流传感器在测量电流上相较于开环具有更好的灵敏度及测量精度，而闭环结构TMR电流传感器比开环结构会多出线圈结构以此实现磁平衡测量，采用闭合式磁芯使得测量不够便利，因此，本实用新型针对TMR电流传感器非闭合式的测量方式，设计合适的磁环和线圈结构，以此满足对各种测量环境或条件下对待测电流的便捷可拆卸式测量，同时满足传感器高灵敏度、高精确度的测量要求。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案。

一种基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，包括两瓣式磁芯、反馈线圈和磁芯套管，所述两瓣式磁芯包括第一导磁芯和第二导磁芯，第一导磁芯和第二导磁芯一侧紧密接触，另一侧留有间隙；所述磁芯套管设置在第一导磁芯和第二导磁芯相接处，并能够将第一导磁芯和第二导磁芯固定住；所述反馈线圈绕设在磁芯套管外侧，用于产生反馈电流以补偿不平衡磁场。

进一步地，所述第一导磁芯和第二导磁芯均呈匚字型；所述第一导磁芯和第二导磁芯均经过倒圆角处理，边缘处为圆角结构。

进一步地，所述磁芯套管为两瓣式，磁芯套管通过两端设置卡扣或抱箍可拆卸式地固定在第一导磁芯和第二导磁芯相接处，即磁芯套管和反馈线圈位于两瓣式磁芯开口间隙的相对位置处。

进一步地，所述磁芯套管两端设有凸缘，用于对反馈线圈进行限位。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件结构，在进行测量时，可将两瓣磁芯通过套管结构进行闭合固定，测量结束后将套管取下。这样通过套管结构可轻松实现磁芯的可拆卸式测量方式，极大的满足了尽可能多的测试条件，同时套管结构能够有效解决因磁芯闭合不稳定产生的测量误差。由于磁芯中磁感应强度多聚集于磁芯开口对面，因此反馈线圈也绕制在该位置处，能够有效提升磁感应精度。套管结构有效解决了非闭合式磁芯在安装拆卸时线圈的处理问题。进一步地，本实用新型的方型磁芯能够更好得适应特定得测试条件，并且方型磁芯便于磁芯中心点的提取和固定，能够更好的保持传感器测量的精确度。本实用新型为闭环结构型的TMR微弱电流传感器磁芯的可拆卸式测量以及可适应测试环境变化的灵活便捷式测量提供一种新的解决方案。

本实用新型的基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，主要是在TMR微弱电流传感器闭环结构下展开实用新型的，由于多了反馈线圈的部分，因此磁芯的非闭合式结构直接也影响到线圈的固定问题，套管结构的引入有效解决了非闭合式磁芯在安装拆卸时线圈的处理问题，同时将磁芯和反馈线圈进行间接联系。本实用新型为闭环结构型的TMR微弱电流传感器磁芯的可拆卸式测量以及可适应测试环境变化的灵活便捷式测量提供一种新的思路。本实用新型采用了方型磁芯进行圆角操作后的结构以及套管或增加卡扣式结构后套管的磁芯、套管结构和线圈组合的整体式结构；由于磁芯在尖角处所感应的磁感应强度比较高并且聚集，磁芯尖角处易损坏，尖角处的损坏可能会对测量产生影响，因此进行圆角操作；该结构可满足非闭合式磁芯的测量方式，同时在测量安装和拆卸时线圈不会受到影响，为开合磁芯式电流传感器的测量提供了便捷性，可靠性，使传感器测量能更好的适应场景。

附图说明

图1为本实用新型闭环结构型TMR电流传感器的等效电路原理示意图。

图2为本实用新型基于TMR电流传感器的磁芯及线圈组件的结构分解示意图。

图3为本实用新型实施例中两瓣式磁芯的组合状态示意图。

图中：1-待测载流导体，2-磁芯，3-反馈线圈，4-TMR元件，5-处理电路，6-采样电阻，7-两瓣式磁芯，701-第一导磁芯，702-第二导磁芯，8-磁芯套管。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本实用新型提供一种基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，包括两瓣式磁芯7、反馈线圈3和一个磁芯套管8，所述两瓣式磁芯7包括呈匚字型的第一导磁芯701和第二导磁芯702，第一导磁芯701和第二导磁芯702的断面均呈方形，第一导磁芯701和第二导磁芯702两者一侧紧密接触，另一侧留有间隙，所述磁芯套管8设置在第一导磁芯701和第二导磁芯702相接处，并能够将第一导磁芯701和第二导磁芯702固定住，所述反馈线圈3绕设在磁芯套管8外侧。

其中，第一导磁芯701和第二导磁芯702的尺寸相同。磁芯套管8可为两瓣式，通过两端设置卡扣或抱箍可拆卸式地固定在第一导磁芯701和第二导磁芯702相接处。磁芯套管8两端设有凸缘，便于对反馈线圈3进行限位。

本实用新型的闭环结构型TMR电流传感器的测量原理如图1所示，包括待测载流导体1、等效的磁芯2、反馈线圈3、TMR元件4、处理电路5、采样电阻6。TMR元件4设置在磁芯2的气隙中心，处理电路5分别与TMR元件4和反馈线圈3一端电性连接，采样电阻6与反馈线圈3另一端串联后接地。其中，TMR元件4用于感应磁场产生差分输出电压信号；处理电路5用于对TMR元件4所输出的差分电压信号进行信号处理，包括信号放大，滤波的处理。反馈线圈3用于形成反馈电流，为实现传感器零磁通提供媒介。采样电阻6用于反馈电流的间接提取，对采样电阻两端的电压进行提取，在明确电阻值的情况下，可以求得反馈电流的大小，依据安匝数关系比再求得待测电流大小。

闭环型TMR电流传感器的具体工作原理为：其中待测电流为流过待测载流导体1的电流，即一次侧待测电流记作I_P，可把待测载流导体1看作是匝数为1的线圈，则初级线圈匝数为N1为1；反馈线圈3是均匀缠绕在磁芯2上面，缠绕方式要保证反馈电流I_S产生磁场强度与一次侧待测电流I_P在磁芯2内产生的磁场强度方向相反。反馈线圈3匝数为N2，N2一般是通过仿真分析结合估算，根据待测电流的大小结合后续处理电路5在反馈线圈3前所产生电压信号大小以及采样电阻6大小权衡考虑来决定的，匝数不宜过大或过小。一次侧待测电流I_P在磁芯2内部产生的磁通量是Φ_p，反馈线圈3产生的磁通量是Φ_S。一次侧待测电流I_P产生的磁场经过磁芯2的作用，使得磁芯2气隙中心的TMR元件4感应到磁场产生差分输出电压信号，芯片输出电压经过处理电路5处理后，并经过反馈线圈3工作得到反馈电流I_S，反馈线圈3后接采样电阻6并接地。反馈电流I_S流过反馈线圈3时产生反馈磁场，在磁芯2中也形成了与一次侧待测电流I_P产生的磁场方向相反的磁场，由于反馈磁场的方向与初级磁场相反，导致气隙中磁场强逐渐降低，从而使TMR元件4的输出电压和反馈电流也逐渐减小，直到一次侧待测电流I_P产生的磁场与反馈电流产生的磁场大小相等时。此时，反馈电流I_S不再变化，整个系统达到动态平衡，即零通量状态。一次侧待测电流I_P和反馈电流I_S之间的关系可以表示为：N₁I_p＝N₂I_s。

当一次待测电流I_P发生变化时，动态平衡状态被打破，TMR元件4产生相应的额外输出电压，该输出电压经过处理电路5信号放大、滤波后，通过反馈线圈3产生相应的反馈电流以此来补偿不平衡磁场，使系统重新达到零磁通状态。实现平衡所需的时间在微秒级别，因此闭环结构具有很高的响应速度。通过检测采样电阻6上的电压值，可以间接求出待测电流的大小。闭环型的TMR电流传感器，反馈电流I_S是一次侧待测电流I_P的精确映射，使传感器具有非常高的精度和良好的线性度。

如图2为TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件的结构示意图，包括两瓣式磁芯7、磁芯套管8、反馈线圈3。其中两瓣式磁芯7选择具备高磁导率的坡莫合金材料制成，磁芯的尺寸需要结合所测试条件及结合仿真进行设计，磁芯的开口大小尺寸需要结合TMR元件的敏感轴及封装尺寸大小去设定；尺寸设计原则为磁芯套管与两瓣式磁芯结合部分紧密贴合，气隙越小越好，两个导磁芯接触部分紧密结合，不留气隙。磁芯的结构可以为环状或方型，本实施例中采用的是方型磁芯，即由第一导磁芯701和第二导磁芯702组成方形形状的两瓣式磁芯7，两瓣式磁芯左端留有间隙；方型磁芯能够更好得适应特定的测试条件，并且方型磁芯便于磁芯中心点的提取和固定，能够更好的保持传感器测量的精确度。通过仿真可以发现方型磁环尖角处磁感应强度聚集明显，因此为了有效降低因磁芯尖角处的损坏造成的测量误差，设计磁芯时对磁芯角处都进行圆角操作。采用方型磁芯使磁芯套管的制备也较为容易。磁芯套管8用不导电、不导磁的材料制成，例如复合材料，无机化合物，高分子聚合物材料，主要是用来联络反馈线圈3和两瓣式磁芯7的，在进行测量时，可将两瓣式磁芯7通过磁芯套管8进行闭合固定，测量结束后将磁芯套管8取下。这样通过磁芯套管8可轻松实现磁芯的可拆卸式测量方式，极大的满足了尽可能多的测试条件，同时设有磁芯套管8的结构能够有效得解决因磁芯闭合不稳定产生的测量误差。反馈线圈3则是绕在磁芯套管8上并进行固定，可通过仿真分析根据不同的电流传感器设计需求绕制不同的匝数。由于磁芯中磁感应强度多聚集于磁芯开口对面，因此反馈线圈也绕制在该位置处，套管结构有效解决了非闭合式磁芯在安装拆卸时线圈的处理问题。

所述基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件的结构设计步骤如下：

(1)首先确定好待测电流的大小范围及待测电流的测试环境条件，通过仿真计算对磁芯尺寸进行参数化扫描分析，确定好磁芯的各尺寸大小；同时要对TMR元件进行选型，应考虑其灵敏度、敏感轴和封装尺寸，进而对磁芯开口尺寸进行确定。

(2)进行方型两瓣式磁芯7的制作，并依据磁芯的尺寸进行方型磁芯套管8的尺寸设计，磁芯套管8厚度不宜太厚，长度依据反馈线圈3的匝数而定。同时方型磁芯套管8两端预留出足够的边棱结构，即设置凸缘，便于对线圈起到约束固定、限位的作用；磁芯套管8也可以配合设置卡扣式结构或抱箍实现对磁芯的进一步稳固。

(3)反馈线圈3匝数的确定需要结合一次待测电流I_P的大小及处理电路5来进行确定，反馈线圈的匝数不宜过大，反馈线圈3使用尽可能大直径漆包线，绕制过程线圈要均匀绕制在磁芯套管8上并对绕制线圈进行固定，线圈两端要预留足够的长度用来连接处理电路。

以下为本实用新型的一个具体实施例：

本实施例的基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件的结构如图2所示，假定设计传感器的待测电流范围为0-10mA，测试条件为110kV电缆结构，电缆直径10.5cm，依据仿真确定好方型两瓣式磁芯总长a、宽b均为10.8cm，厚度m为1.8cm，高度h为1.8cm(如图3所示)。TMR元件采用TMR2901，敏感轴为y轴，封装尺寸为3mm×3mm×0.75mm，结合磁芯开口间隙处TMR元件(pcb板TMR2901)的放置问题，磁芯开口间隙设置为4.25mm。方型磁芯套管长度设置为6cm，厚度为0.3mm。线圈匝数结合传感器测量原理安匝数关系比及处理电路定为100匝，绕线采用0.5mm规格漆包线，对绕制线圈进行粘连固定，两端各留出20cm的长度。

Claims (5)

1.一种基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，其特征在于，包括两瓣式磁芯、反馈线圈和磁芯套管，所述两瓣式磁芯包括第一导磁芯和第二导磁芯，第一导磁芯和第二导磁芯一侧紧密接触，另一侧留有间隙；所述磁芯套管设置在第一导磁芯和第二导磁芯相接处，并能够将第一导磁芯和第二导磁芯固定住；所述反馈线圈绕设在磁芯套管外侧。

2.根据权利要求1所述的基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，其特征在于，所述第一导磁芯和第二导磁芯均呈匚字型。

3.根据权利要求2所述的基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，其特征在于，所述第一导磁芯和第二导磁芯均经过倒圆角处理，边缘处为圆角结构。

4.根据权利要求1所述的基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，其特征在于，所述磁芯套管和反馈线圈位于两瓣式磁芯开口间隙的相对位置处。

5.根据权利要求4所述的基于TMR微弱电流传感器的磁芯及线圈组件，其特征在于，所述磁芯套管两端设有凸缘，用于对反馈线圈进行限位。