一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法。本发明专利技术采用磁平衡式巨磁阻电流传感器获取待测电流数据，该待测电流经过反馈电阻时转化为反馈电压信号，CAN总线数据传输模块使用模拟—数字转化采集反馈电压信号，采集的反馈电压信号通过CAN收发器传给CAN控制器并对该数据进行液晶显示操作。本发明专利技术方法得到的电流传感器能够测量直流到高频(MHz量级)的电流信号，具有很宽的频率范围。其丰富的磁电阻体系可满足电力系统中各类电流的监测需求。

【技术实现步骤摘要】
一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法
本专利技术属于电流监测领域，具体涉及一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法。
技术介绍
随着社会的快速发展，电能对于各行各业起着举足轻重的作用，从国家的航空航天事业的发展，到个人消费电子的日常使用，这些领域对电力的需求不仅表现在如何安全高效的生产和使用电能，还表现在如何实时监测电能。要实现对电压、电流、功率等数据的准确监测，就离不开电流传感器的使用。特别是近年来随着科技发展，智能传感系统更是成为全球科技发展和变革中的重大课题。智能传感系统要求传感器不仅具备测量功能，更要求传感系统具有采集、处理、交换信息的能力。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。它是传感器集成化与微处理器相结合的产物。目前电流传感器市场中，霍尔传感器占据主导地位。基于巨磁阻的电流传感器还处于研发阶段。巨磁阻传感器相对于霍尔传感器在原理的不同，使得巨磁阻在灵敏度、耐压能力、测量精度、温度稳定性和线性度等方面有很大的优势。高精度带来的影响主要是更容易受到外界环境的干扰、对位置更为敏感，使得同一型号的巨磁阻传感器参数都不一定相同，对屏蔽技术的要求更高，如何解决在批量生产过程中offset和灵敏度不同的问题是研究的重点。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法。本专利技术采用磁平衡式巨磁阻电流传感器获取待测电流数据，该待测电流经过反馈电阻时转化为反馈电压信号，CAN总线数据传输模块使用模拟—数字转化采集反馈电压信号，采集的反馈电压信号通过CAN收发器传给CAN控制器并对该数据进行液晶显示操作。本专利技术的有益效果：本专利技术方法得到的电流传感器能够测量直流到高频(MHz量级)的电流信号，具有很宽的频率范围。其丰富的磁电阻体系可满足电力系统中各类电流的监测需求。附图说明图1为本专利技术设计图。图2为CAN总线第一流程图。图3为CAN总线第二流程图。图4为磁平衡式GMR电流传感器。图5a为惠斯通电桥结构。图5b为输出电压与外加磁场强度图。图6为AD620仪表放大器结构图。具体实施方式本专利技术主要由两部分组成，磁平衡式巨磁阻电流传感器和CAN总线数据传输模块两部分，其工作原理如下图1所示。磁平衡式巨磁阻电流传感器获取待测电流数据，该待测电流经过反馈电阻时转化为反馈电压信号，CAN总线数据传输模块使用模拟—数字转化采集反馈电压信号，采集的反馈电压信号通过CAN收发器传给CAN控制器并对该数据进行液晶显示操作。整个系统实现了电流的非接触式测量并通过CAN总线实现了数据的传输和共享。CAN总线传输模块使用的是STM32F103VET6，其模块由晶振电路、电源电路、RF电路等构成，电路结构较为常见，通过配合使用3.5寸TFTLED液晶显示屏能够很好的展示CAN总线数据传输。使用CAN总线，大体进行三个操作：初始化、接收、中断，初始化和数据接收的流程图如图2、图3所示。磁平衡式GMR电流传感器主要有以下四部分组成：(1)巨磁阻传感器及磁芯，将传感器感应的磁场转换为电压信号；(2)放大电路，将微弱的传感器输出电压信号进行放大；(3)功率放大电路，将放大后的电压信号进一步放大并且提供反馈电流；(4)反馈电路，利用磁平衡原理，被测电流产生的磁场，通过反馈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。结构图见图4。GMR传感器中使用的巨磁阻传感器VA100F3，内部采用了惠斯通电桥结构，如图5a所示。当向电桥供电后，在敏感方向加入磁场变化会引起内部电阻元件的变化，导致传感器输出电压发生变化，即传感器的输出电压变化量与外加磁场强度成正比。该类传感芯片具有测量范围宽、灵敏度高、磁滞小、温漂低和线性度好的特点。VA100F3有很宽的工作电压范围，从DC1V至DC10V均可工作，文中采用LM7805稳压芯片为传感器供电。传感器输出电压与外加磁场强度之间的关系可以表示为：VH＝KHB。式中，KH为巨磁阻传感器的灵敏度，单位为mV/mT；B为磁感应强度，单位为mT。从图5b中可以得到KH的取值范围。在设计中，需要将巨磁阻传感器放进开有气隙的磁环中，并用胶枪将传感器和磁环固定，这样可以获得稳定的输出电压信号。在设计中还需要计算磁环气隙大小。磁场B的大小根据安培环路定律得：∮B·dl＝Nμ0I(1)l为路径长度；N为路径包围的通电导线的匝数；μ0为真空磁导率；I为通过的电流。根据安培回路定律，被测导线和磁场的关系为：∮Hdl＝H1·(2πr0-d)+H2·d＝NI0(2)式中H1表示磁环内的磁场强度，H2表示气隙的磁场强度，r0为平均半径，I0为被测电流，磁环气隙宽度为d。由式(2)得由于磁环磁导率远μ大于真空磁导率μ0，上式可以简化为：设N＝1，代入式(2)可得由式(5)可知输出电压与被测导线的电流成正比，而且磁环气隙越小，巨磁阻传感器输出电压越大，因此在设计的时候磁环气隙应以卡住传感器为宜。由于巨磁阻传感器输出的电压信号一般仅为几十毫伏，不便于后续数字化处理，因此需要对其进行放大。本实施例设计采用AD620仪表放大器，结构如图6所示，其内部结构采用的是经典的三运放结构。可以通过改变放大器1脚和8脚之间的可调电阻来调节放大器增益。由于巨磁阻传感器灵敏度较高，环境中的磁场干扰对其比较严重，在被测测量电流为零时，巨磁阻传感器会有一个零偏输出，因此，在设计中给参考电位连接了一个可调电阻，这样，便可通过调节可调电阻来改善零偏输出。AD620的输出电压V0与输入电压V1、V2的关系下式所示：具体改善零点漂移的方法是：在测试开始之前，如果VO不等于零，则通过调节放大器参考端的可调电阻的阻值来改变VREF的大小使得V0为零即可。该方式理论上可以完全消除零点漂移，但是实际操作时受电位器的精度影响，只能明显改善零点漂移。经过仪表放大器放大之后的GMR传感器输出功率还不足驱动次级线圈的负载，此时还需要功率放大器来二次放大，使反馈电路能够正常工作。设计中采用的功率放大器是TDA2030，引脚1和引脚2是信号输入端，引脚1与AD620输出信号相连，引脚2接输出引脚4，引脚3和引脚5为供电引脚，分别接入±9v工作电压，同时，输出引脚接反馈电路从而实现电流反馈。反馈电路主要由反馈线圈和反馈电阻构成，作用是平衡被测电流产生的磁场。平衡磁场的原理为：被测电流通过磁环所产生的磁场，通过反馈线圈的电流进行补偿，使磁环始终处于零磁通工作状态。当被测电流通过磁环，反馈电流尚未形成时，巨磁阻传感器感应到磁场产生电压信号，经放大级放大，推动驱动级产生反馈电流，由于反馈线圈的存在，反馈电流不会发生突变，而是逐渐上升，反馈电流产生的磁场补偿了部分被测电流产生的磁场。因此，巨磁阻传感器输出降低，反馈电流上升减慢。当反馈电流产生的磁场完全补偿了被测电流产生的磁场时，磁环磁场为零，巨磁阻传感器输出为零。但由于线圈的缘故，反馈电流还会上升，会使得补偿过冲，巨磁阻传感器输出变号，反馈电流减小，如此反复在平衡点附近振荡。可以通过测量反馈电阻两端电压，间接计算出被测电流。经过实验证明，该电流传感器能够测量直流到高频(MHz量级)的电流信号，具有很宽的频率范围。其丰富的磁电阻体系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法，其特征在于：采用磁平衡式巨磁阻电流传感器获取待测电流数据，该待测电流数据经过反馈电阻时转化为反馈电压信号，CAN总线数据传输模块使用模拟—数字转化采集反馈电压信号，采集的反馈电压信号通过CAN收发器传给CAN控制器并对该数据进行液晶显示操作。

【技术特征摘要】
1.一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法，其特征在于：采用磁平衡式巨磁阻电流传感器获取待测电流数据，该待测电流数据经过反馈电阻时转化为反馈电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王蕾，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33