巨磁阻電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明巨磁阻電流傳感器，涉及用于測量電流的裝置，由電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分組成，其中，電磁轉換模塊包括聚磁環磁芯、原邊繞組和巨磁電阻芯片，信號放大模塊包括運算放大器和推挽功率放大器，反饋補償模塊為反饋繞組；其整個測量回路構成閉環系統，巨磁電阻芯片與聚磁環磁芯構成一個封閉的結構，克服了現有技術的巨磁電阻電流傳感器在測量時極易被雜散外磁場干擾、無法完全消除溫漂與零漂、磁性器件存在固有的磁滯現象影響測量精度的缺陷。
【專利說明】巨磁阻電流傳感器【技術領域】
[0001]本發明的技術方案涉及用于測量電流的裝置，具體地說是巨磁阻電流傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的發展，高精度、寬頻帶電流傳感器的應用越來越廣泛。最近十年來電流傳感器取得了較大的發展。根據測量原理的不同，電流傳感器大體分為基于歐姆定律、電磁感應定律、霍爾效應、羅氏線圈和磁通門幾種；根據使用的方法的不同，電流傳感器可分為接觸式和非接觸式兩種類型。由于非接觸式電流傳感器進行電流測量可以保證工作人員的人身安全和系統的穩定運行，應用范圍更加廣泛。非接觸式電流傳感器，一般是基于磁場的測量。現有的磁場測量方法有磁通量計、磁通門技術以及磁敏傳感器。磁敏傳感器由于具有集成度高、體積小和結構簡單的優點，受到越來越多的重視。目前的磁敏傳感器主要有霍爾元件和巨磁電阻元件。其中，霍爾電流傳感器能夠檢測幾千安培的電流，精度范圍在0.5%到2%之間，但是霍爾元件靈敏度低，溫漂和零漂嚴重，在高精度測量方面受到限制。現有的的巨磁電阻傳感器主要應用在磁性編碼器、電子羅盤、硬盤讀寫磁頭以及電磁無損檢測等領域。與霍爾元件相比，巨磁電阻傳感器具有低溫漂和低零漂的優點，并且靈敏度聞，在聞精度電流檢測方面有無可比擬的優勢。
[0003]國際上已經報道了幾種巨磁電阻電流傳感器的結構，Z.Qian等為了解決電磁電流互感器在電力系統中的應用的隔離的問題，提出了一種基于巨磁阻效應的電流傳感器。Istvdn Jedlicska等人通過數值解析方法消除磁滯影響,使輸出特性線性化程度提高，增加了巨磁阻傳感器的測量精度，所設計的傳感器在保證精度不降低的前提下，測量范圍幾乎接近磁飽和點。為了達到基于點磁場的電流檢測的目的，Erik R.0lson和RobertD.Lorenz對載流導體周圍磁場的動態特性進行了研究，提出了一種空間相關性度量標準，即5%平穩帶寬準則,用于優化磁場探測器位置。同時，Erik R.0lson和Robert D.Lorenz兩人應用基于點磁場巨磁阻探測器陣列的集成電流傳感器來實現對被測的電流信號提取以及對未知的擾動場信號的分離。然而，現有技術在僅用巨磁電阻元件對磁場進行測量時，存在以下問題:巨磁電阻元件對磁場非常敏感，測量時極易被雜散外磁場干擾；無法完全消除溫漂與零漂；磁性器件存在固有的磁滯現象，影響測量精度。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供巨磁阻電流傳感器，其整個測量回路構成閉環系統，巨磁電阻芯片與聚磁環磁芯構成一個封閉的結構，克服了現有技術的巨磁電阻電流傳感器在測量時極易被雜散外磁場干擾、無法完全消除溫漂與零漂、磁性器件存在固有的磁滯現象影響測量精度的缺陷。
[0005]本發明解決該技術問題所采用的技術方案是:巨磁阻電流傳感器，由電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分組成，其中，電磁轉換模塊包括聚磁環磁芯、原邊\繞組和巨磁電阻芯片，信號放大模塊包括運算放大器和推挽功率放大器，反饋補償模塊為反饋繞組；原邊繞組穿過聚磁環磁芯，反饋繞組均勻繞在聚磁環磁芯上，反饋繞組一端與推挽功率放大器相連接，反饋繞組另一端連接一個采樣電阻，巨磁電阻芯片與聚磁環磁芯和反饋繞組構成閉環系統式的測量探頭，聚磁環磁芯將原邊電流所產生的磁場進行聚集之后，作用于巨磁阻芯片，巨磁電阻芯片在感受到磁場的作用之后，將會有電壓信號輸出，該輸出的電壓信號送入運算放大器，運算放大器與推挽功率放大器連接，上述輸出的電壓信號經過運算放大器和推挽功率放大器進行放大之后，加到采樣電阻上，形成反饋電流，該反饋電流經過反饋繞組產生反饋磁場，由此電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分構成測量回路閉環系統。
[0006] 上述巨磁阻電流傳感器，所述聚磁環磁芯的構成材料是坡莫合金材料，其電阻率為0.56μ Q· m，居里點為400°C，飽和磁感應強度為Bs=0.7T,飽和磁感應強度下的矯頑力He不大于1.6A/m，直流磁性能滿足在0.08A/m磁場強度中的磁導率不小于37.5mH/m ;聚磁環磁芯是圓環形磁環，該磁環的內徑為20mm、外徑為25mm、高為7mm、氣隙長度為5mm、橫截面為長為7mm和寬為5mm的矩形。
[0007]上述巨磁阻電流傳感器，所述巨磁阻芯片即GMR芯片，采用東方微磁科技有限公司的 VA110F3
[0008]上述巨磁阻電流傳感器，所述原邊繞組的匝數為I匝。
[0009]上述巨磁阻電流傳感器，所述反饋繞組的匝數是120匝。
[0010]上述巨磁阻電流傳感器，所述采樣電阻為20歐姆。
[0011]上述巨磁阻電流傳感器，所述運算放大器的型號是INA118，推挽功率放大器的型號是L165。
[0012]上述巨磁阻電流傳感器，所涉及的零部件和原材料均通過公知途徑獲得，組裝的方法是本【技術領域】的技術人員所能掌握的。
[0013]本發明的有益效果是:與現有技術相比，本發明的突出的實質性特點是:
[0014](I)本發明巨磁阻電流傳感器的工作的原理和流程是:原邊繞組中的原邊電流即被測電流所產生的磁場經過聚磁環磁芯聚集之后，作用于巨磁阻芯片，該巨磁阻芯片在感受到磁場的作用之后，將會有電壓信號輸出，該輸出的電壓信號經過運算放大器和功率放大器進行放大之后，加到采樣電阻上，形成反饋電流，該反饋電流經過反饋繞組產生反饋磁場，當反饋磁場與原邊繞組產生的磁場的大小相等時，反饋電流不再減小，就達到了零磁通的工作狀態，此時的原邊電流和反饋電流的關系即:N1IP = N2Ic。由此精確測得被測電流的電流值。
[0015](2)如上所述，當反饋磁場與原邊繞組產生的磁場的大小相等時就達到了零磁通的工作狀態。由于被測電流的任何變化都會破壞閉環系統達到的這一平衡，而一旦磁場失去平衡，巨磁電阻芯片就有電壓信號輸出，此信號經放大后，立即有相應的反饋電流即補償電流流過反饋繞組對失衡的磁場進行補償，以達到新的平衡。由于上述的平衡過程所需的時間小于1μS，因此決定了本發明巨磁阻電流傳感器的具有較快的響應速度。
[0016](3)本發明巨磁阻電流傳感器采用了閉環系統，將原邊電流產生的磁場輸出端在巨磁阻芯片中產生輸出電壓，經過放大后加到采樣電阻上，形成反饋電流，反饋電流產生反饋磁場，抵消了被測外界磁場，使聚磁環磁芯工作在零磁場附近，這樣就構成了基于巨磁阻的電流傳感器的閉環系統。零磁場相對于開環磁芯中外磁場要小很多，這對外界被測磁場的影響就減小了，有利于巨磁阻電流傳感器線性度的提高，并有效抑制了溫漂和零漂現象。
[0017]與現有技術相比，本發明的顯著進步是:
[0018](I)本發明巨磁阻電流傳感器具有僅為±7%。超低的非線性誤差，非常低的溫漂和零漂，并且在檢測直流或交流時的輸入信號噪聲得到有效抑制。
[0019](2)聚磁環磁芯與反饋繞組夠成的閉環系統克服了巨磁阻芯片固有的非線性度以及溫漂現象，避免了測量系統額外的補償模塊。
[0020](3)本發明巨磁阻電流傳感器將巨磁阻芯片、聚磁環磁芯和零磁通的閉環結合在一起，既能測量直流電流和低頻交流電流，還能測量高頻交流電流。
[0021](4)本發明巨磁阻電流傳感器降低了由于磁性器件固有的磁滯現象所造成的誤差。聚磁環磁芯的引入提高了傳感器的靈敏度，可測得mA級別的微弱電流信號，提高了傳感器對高精度微弱電流測量的能力。
[0022](5)本發明巨磁阻電流傳感器具有較快的響應速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0024]圖1為本發明巨磁阻電流傳感器的結構示意圖。
[0025]圖2為本發明巨磁阻電流傳感器的組成框圖。
[0026]圖3為本發明巨磁阻電流傳感器的IOOkHz與500kHz時原邊電流的波形與補償電流的波形圖。
[0027]圖4為本發明巨磁阻電流傳感器的小信號分析得到的伯德圖。
[0028]圖5為本發明巨磁阻電流傳感器的0-8A范圍直流測量結果曲線圖。
[0029]圖6為本發明巨磁阻電流傳感器的相對誤差曲線圖。
[0030]圖7為本發明巨磁阻電流傳感器的0-13A范圍直流測量結果曲線圖。
[0031]圖8為本發明巨磁阻電流傳感器的磁滯現象對傳感器的影響曲線圖。
【具體實施方式】
[0032]圖1所示實施例表明，原邊繞組Wp穿過聚磁環磁芯C，反饋繞組Wc繞在聚磁環磁芯C上，反饋繞組Wc —端與推挽功率放大器相連接，反饋繞組Wc另一端連接一個采樣電阻Rm,巨磁電阻芯片GMR與聚磁環磁芯C和反饋繞組Wc構成閉環系統式的測量探頭，聚磁環磁芯C將原邊電流Ip所產生的磁場進行聚集之后，作用于巨磁阻芯片GMR，巨磁電阻芯片GMR在感受到磁場的作用之后,將會有電壓信號輸出，該輸出的電壓信號送入運算放大器，運算放大器與推挽功率放大器連接，上述輸出的電壓信號經過運算放大器和推挽功率放大器進行放大之后，加到采樣電阻Rm上，形成反饋電流Ic，該反饋電流Ic經過反饋繞組Wc產生反饋磁場，由此構成具有測量回路閉環系統的本實施例的巨磁阻電流傳感器的結構。由于反饋繞組Wc產生的磁場與原邊電流Ip產生的磁場方向相反，因而減弱了原邊磁場，使巨磁電阻芯片GMR輸出逐漸減小，反饋電流Ic也相應減小，當原邊繞組Wp和反饋繞組Wc產生的磁場大小相等時，反饋電流Ic不再減小，達到零磁通狀態。磁場的大小與檢測電路的輸出有良好的線性關系，因此可依據檢測電路的輸出信號來反映導線中的電流大小。
[0033]圖2所示實施例表明，巨磁阻電流傳感器由電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分組成，由電磁轉換模塊輸出電壓信號，該輸出的電壓信號送入信號放大模塊，經過放大之后進入反饋補償模塊形成反饋電流，產生反饋磁場。由此電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分構成測量回路閉環系統。
[0034]圖3所示的實施例是對整個測量回路閉環系統建立了仿真模型，模型中補償繞組匝數為10，被測電流幅值為20A。當頻率為IOOkHz與500kHz時，原邊電流與補償電流在兩種頻率下的波形分別如圖3(a)與3(b)所示。可以看出，在頻率為IOOkHz時，電流傳感器的輸出無畸變，在500kHz時，波形稍微變形。
[0035]圖4所示的實施例是對電流傳感器進行小信號分析得到的伯德圖，由該圖可知，本發明的巨磁阻電流傳感器的帶寬較高，可達上MHz。
[0036]實施例1
[0037]本實施例的巨磁阻電流傳感器，由電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分組成，其中，匝數為I匝的原邊繞組Wp穿過聚磁環磁芯C，匝數是120匝的反饋繞組Wc繞在聚磁環磁芯C上，反饋繞組Wc —端與型號是L165的推挽功率放大器相連接，反饋繞組Wc另一端連接采樣一個電阻Rm，巨磁電阻芯片GMR與聚磁環磁芯C和反饋繞組Wc構成閉環系統式的測量探頭，聚磁環磁芯C將原邊電流Ip所產生的磁場進行聚集之后，作用于巨磁阻芯片GMR，巨磁電阻芯片GMR在感受到磁場的作用之后，將會有電壓信號輸出，該輸出的電壓信號送入型號是INA118的運算放大器，型號是INA118的運算放大器與型號是L165的推挽功率放大器連接，上述輸出的電壓信號經過型號是INA118的運算放大器和型號是L165的推挽功率放大器進行放大之后，加到采樣20歐姆的電阻Rm上，形成反饋電流Ic，該反饋電流Ic經過反饋繞組Wc產生反饋磁場，由此構成具有測量回路閉環系統的本實施例的巨磁阻電流傳感器的結構。由于反饋繞組Wc產生的磁場與原邊電流Ip產生的磁場方向相反，因而減弱了原邊磁場，使巨磁電阻芯片GMR輸出逐漸減小，反饋電流Ic也相應減小，當原邊繞組Wp和反饋繞組Wc產生的磁場大小相等時，反饋電流Ic不再減小,達到零磁通狀態。磁場的大小與檢測電路的輸出有良好的線性關系，因此可依據檢測電路的輸出信號來反映導線中的電流大小。
[0038]上述聚磁環磁芯C的構成材料是坡莫合金材料，其電阻率為0.56 ii Q ? m，居里點為400°C，飽和磁感應強度為Bs=0.7T，飽和磁感應強度下的矯頑力He不大于1.6A/m，直流磁性能滿足在0.08A/m磁場強度中的磁導率不小于37.5mH/m ;聚磁環磁芯是圓環形磁環，該磁環的內徑為20mm、外徑為25mm、高為7mm、氣隙長度為5mm、橫截面為長為7mm和寬為5mm的矩形；巨磁阻芯片即GMR芯片，采用東方微磁科技有限公司的VA110F3。
[0039]對比實施例1
[0040]除測量探頭僅為巨磁電阻芯片GMR，沒有反饋補償模塊之外，其他同實施例1。
[0041]對比實施例2
[0042]除測量探頭僅為巨磁電阻芯片GMR與聚磁環磁芯C組成，沒有反饋補償模塊之外，其他同實施例1。
[0043]實施例1與對比實施例1和對比實施例2的測量結果對比如下:
[0044](I)當被測電流Ip范圍從0到8A時，分別對以上實施例1、對比實施例1和對比實施例2三種結構的電流傳感器進行測量，實驗得到的輸入輸出特性曲線如圖5所示，由此可見，當僅有巨磁電阻芯片GMR作為測量探頭時，電流傳傳感器的靈敏度低，線性度差，測量精度較低；當由巨磁電阻芯片GMR與聚磁環磁芯C組成測量探頭時，為開環系統，電流傳感器的靈敏度提高，但是容易飽和，測量范圍較窄，并且線性度較差；當由巨磁電阻芯片GMR與聚磁環磁芯C和反饋繞組Wc構成閉環系統式的測量探頭，電流傳感器的靈敏度提高，測量范圍與巨磁電阻芯片GMR相同，線性度較好。
[0045](2)用輸出電壓的理論值減去實際值，再除以實際值便可得到此電流傳感器測量范圍為OA?8A時的相對誤差，如圖6本發明巨磁阻電流傳感器的相對誤差曲線圖所示，在OA到8A的量程內，相對誤差限制在±7%。內。
[0046](3)為了分析磁滯現象對電流傳感器的影響，分別對實施例1、對比實施例1和對比實施例2三種結構的電流傳感器進行了研究。被測電流首先從0增加到13A，分別測量三種結構的電流傳感器的輸出，然后將電流從13A降至0A，再次測量三種結構的電流傳感器的輸出，輸入輸出特性曲線如圖7所示。三種結構的電流傳感器的輸出誤差如圖8所示。由圖可知，本發明巨磁阻電流傳感器的閉環系統可以降低由磁滯現象引起的誤差，保證了傳感器的測量精度與線性度。
[0047]上述對比說明，本發明巨磁阻電流傳感器具有±7%。的超低的非線性誤差，聚磁環磁芯與反饋繞組夠成的閉環系統克服了巨磁電阻芯片固有的非線性度以及溫漂現象，避免了測量系統額外的補償模塊，并且降低了由于磁性器件固有的磁滯現象所造成的誤差。聚磁環磁芯的引入提高了電流傳感器的靈敏度，可測得mA級別的微弱電流信號，提高了電流傳感器對高精度微弱電流測量的能力。小信號分析的結果顯示了本發明巨磁阻電流傳感器具有很高的帶寬，測量的頻率范圍可以達到上MHz。
[0048]上述實施例中所涉及的零部件和原材料均通過公知途徑獲得，組裝的方法是本【技術領域】的技術人員所能掌握的。
【權利要求】
1.巨磁阻電流傳感器，其特征在于:由電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分組成，其中，電磁轉換模塊包括聚磁環磁芯、原邊繞組和巨磁電阻芯片，信號放大模塊包括運算放大器和推挽功率放大器，反饋補償模塊為反饋繞組；原邊繞組穿過聚磁環磁芯，反饋繞組均勻繞在聚磁環磁芯上，反饋繞組一端與推挽功率放大器相連接，反饋繞組另一端連接一個采樣電阻，巨磁電阻芯片與聚磁環磁芯和反饋繞組構成閉環系統式的測量探頭，聚磁環磁芯將原邊電流所產生的磁場進行聚集之后，作用于巨磁阻芯片，巨磁電阻芯片在感受到磁場的作用之后，將會有電壓信號輸出，該輸出的電壓信號送入運算放大器，運算放大器與推挽功率放大器連接，上述輸出的電壓信號經過運算放大器和推挽功率放大器進行放大之后，加到采樣電阻上，形成反饋電流，該反饋電流經過反饋繞組產生反饋磁場，由此電磁轉換模塊、信號放大模塊和反饋補償模塊三部分構成測量回路閉環系統。
2.根據權利要求1所說巨磁阻電流傳感器，其特征在于:所述聚磁環磁芯的構成材料是坡莫合金材料，其電阻率為0.56ii Q.m,居里點為400°C，飽和磁感應強度為Bs=0.7T，飽和磁感應強度下的矯頑力He不大于1.6A/m,直流磁性能滿足在0.08A/m磁場強度中的磁導率不小于37.5mH/m ;聚磁環磁芯是圓環形磁環,該磁環的內徑為20mm、外徑為25mm、高為7mm、氣隙長度為5mm、橫截面為長為7mm和寬為5mm的矩形。
3.根據權利要求1所說巨磁阻電流傳感器，其特征在于:所述巨磁阻芯片即GMR芯片，采用東方微磁科技有限公司的VA110F3型芯片。
4.根據權利要求1所說巨磁阻電流傳感器，其特征在于:所述原邊繞組的匝數為I匝。
5.根據權利要求1所說巨磁阻電流傳感器，其特征在于:所述反饋繞組的匝數是120匝。
6.根據權利要求1所說巨磁阻電流傳感器，其特征在于:所述采樣電阻為20歐姆。
7.根據權利要求1所說巨磁阻電流傳感器，其特征在于:所述運算放大器的型號是INA118，推挽功率放大器的型號是L165。
【文檔編號】G01R19/00GK103616550SQ201310635076
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】楊曉光, 李元園, 劉航 申請人:河北工業大學