基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器及其测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器及其测量方法，实现待测导线在不垂直于磁传感器阵列平面时的电流准确测量；传感器包括安装底座，安装底座上设有磁场检测芯片，磁场检测芯片采用4个三轴隧道磁阻磁传感器；沿着安装底座圆周均匀布置，即三轴隧道磁阻磁传感器之间间隔90°布置；磁场检测芯片连接处理电路；其测量方法为三轴隧道磁阻磁传感器分别测量测点处的磁感应强度；定位导线偏心位置，即计算导线与XOY平面的交点坐标；确定导线倾斜度；计算出四个测点处的电流值取平均值，求得导线的电流值。

【技术实现步骤摘要】
基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器及其测量方法
本专利技术涉及电流测量
，具体是一种基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器及其测量方法。
技术介绍
随着电动汽车的普及，越来越多的充电桩在城市里出现。充电桩内的电流传感器能及时发现充电桩内部漏电、短路等异常情况，避免安全事故发生，确保充电安全，同时能够精确测量充电量作为收费依据，因此充电桩内电流的准确测量对电网安全稳定经济运行十分重要。由于充电桩内布线是在密集、狭小的空间内，充电桩内电流传感器要满足体积小，同时具备交直流同测、大动态范围、低功耗及响应速度快的特点。但是市面上的电流传感器体积偏大，无法满足狭小空间内、大动态范围及交直流同测需求。所以需要设计一款小型化、交直流同测、宽频带、大动态范围及高精度的电流传感器，为不同电流测量场合提供统一解决方案。无铁芯电流传感器以其体积小、动态范围大、灵敏度高、频带宽、低成本等优点在电流测量中得到了广泛的应用。它不仅可以实现交直流电流同测，而且与印刷电路板工艺结合，使得体积小简单易用。同时只需更换磁感应元件就能满足各种电流测量场合不同灵敏度与线性范围的需求。但是，近些年来无铁芯电流传感器的研究都是基于待测导线垂直于磁传感器阵列平面的模型，如中国专利CN107015047A公开的一种无铁芯霍尔电流传感器，而在现场实际测量中无法保证两者的严格垂直，导线不垂直时引入的电流测量误差至今没有被消除。本专利技术所要解决的技术问题是：怎样克服导线与磁传感器阵列平面不垂直时引入的电流测量误差，使导线偏心、倾斜时的电流测量更为准确。<br>
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器及其测量方法，实现待测导线在不垂直于磁传感器阵列平面时的电流准确测量。本专利技术采用的技术方案：一种基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器，包括安装底座，所述的安装底座上设有磁场检测芯片，所述的磁场检测芯片采用4个三轴隧道磁阻磁传感器；沿着安装底座圆周均匀布置，即三轴隧道磁阻磁传感器之间间隔90°布置；所述的磁场检测芯片连接处理电路。优选的，所述的处理电路包括信号调理电路和FPGA信号处理器。优选的，所述的安装底座采用PCB板，安装底座呈环形开口结构。一种基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器的测量方法，将4个三轴隧道磁阻磁传感器分别编号为1234，以13连线为X轴，24连线为Y轴，其交点为O，与垂直与XOY平面的Z轴建立坐标系，该方法包括以下步骤：S1：三轴隧道磁阻磁传感器分别测量测点处的磁感应强度Bt(Bx_t,By_t,Bz_t)；S2：定位导线偏心位置，即计算导线与XOY平面的交点坐标A0(x0,y0,0)；S3：确定导线倾斜度；即通过确定m/p，n/p的值来唯一描述载流导线的倾斜度,接着可以更加准确的计算出四个测点处的电流值；S4：计算出四个测点处的电流值取平均值，求得导线的电流值。所述的步骤S1的计算方法为：式中，t为下标，代表三轴隧道磁阻磁传感器的编号1234，(xt,yt,0)为所述四个三轴隧道磁阻磁传感器在xyz坐标系中的坐标，角度α为导线与正z轴之间的夹角，角度β为导线在xoy平面的投影与正x轴之间的夹角，μ0为真空磁导率，导线的单位方向向量l＝(m,n,p)，(其中m＝sinαcosβ,n＝sinαsinβ，p＝cosα)。(p为方向向量)优选的，所述的步骤S2的计算方法为：进一步的，得出进一步的，得出由此得出导线与XOY平面的交点A0的坐标(x0，y0，0)。优选的，所述的步骤S3的计算方法为：进一步的，得出由于定义了α,β与m,n,p之间的确定性关系，可以通过m/p,n/p的值确定导线的倾斜度。优选的，所述的步骤S4的计算方法为：本专利技术的有益效果：1、动态范围大、频带宽、灵敏度高与体积小。在电流测量中具有广阔的应用前景。它不仅可以实现交直流电流同测，而且与印刷电路板工艺结合，使得体积小，简单易用。同时只需更换磁场检测芯片就能满足各种电流测量场合不同灵敏度与线性范围的需求。2、无铁芯，既克服了铁芯磁饱和的问题，即一次侧大电流使铁芯中的磁通饱和，导致二次侧输出信号畸变；也克服了铁芯中剩磁的问题，即一次侧电流中断会导致铁芯中有残余磁通量。3、相比于基于安培环路定律的电流测量方法，基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法通过对导线偏心、倾斜位置的精确定位，大大提高了电流测量的准确性，很好的克服了导线倾斜角(包括天顶角α和偏转角β)变化对电流测量误差的影响，实现对导线偏心、倾斜时电流的准确测量，使导线处于圆孔中的任何位置时都能获得较高的电流测量精确度。4、三轴隧道磁阻元件既实现了传感器的小型化，且与单轴磁传感器元件相比，能捕获到更多导线偏心、倾斜时产生的磁感应强度分量，可更加全面的分析导线位置变化对电流测量的影响。附图说明图1为本专利技术的基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法原理图；图2为本专利技术的三轴隧道磁阻电流传感器系统框图；图3为本专利技术的电流测量方法所采用的三轴隧道磁阻电流传感器的开口式PCB设计；图4为本专利技术的电流测量方法所采用的三轴隧道磁阻电流传感器正面与背面的结构连接图；图5为本专利技术实施例中的三轴隧道磁阻电流传感器中的TMR2301与仪表放大器AD620的引脚图；图6为本专利技术的电流测量方法所采用的三轴隧道磁阻电流传感器中的信号处理系统整体框图；图7为本专利技术实施例中所采用的三轴隧道磁阻电流传感器中电源模块电路±12V输出的电路原理图；图8为本专利技术实施例中所采用的三轴隧道磁阻电流传感器中电源模块电路±5V输出的电路原理图；图9为本专利技术实施例中所采用的三轴隧道磁阻电流传感器中电源模块电路±1.2V输出的电路原理图；图10为本专利技术实施例中所采用的三轴隧道磁阻电流传感器的直流电流测量系统图；图11为设置直流输入200A时的示波器波形与此时采集到AD620芯片输出的一路磁场电压信号；图12为直流测量实验时采用安培环路定律及本专利技术的基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法得到的电流值波形图；图13为本专利技术的电流测量方法所采用的三轴隧道磁阻电流传感器的交流测量系统图；图14为设置交流输入100A时的示波器波形与此时采集到AD620芯片输出的一路磁场电压信号；图15为交流测量实验时采用安培环路定律及本专利技术的基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法得到的电流值波形图；图中，1、PCB板，2、载流导线，3、三轴隧道磁阻磁传感器。具体实施方式本专利技术公开了一种基于三轴隧道磁阻阵列电流传感器及其测量方法，基于三轴隧道磁阻阵列电流传感器包括安装底座，所述的安装底座上设有磁场检测芯片，所述的磁场检测芯片采用4个三轴隧道磁阻磁传感器；沿着安装底座圆周均匀布置，即三轴隧道磁阻磁传感器之间间隔90本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器，其特征在于：包括安装底座，所述的安装底座上设有磁场检测芯片，所述的磁场检测芯片采用4个三轴隧道磁阻磁传感器；沿着安装底座圆周均匀布置，即三轴隧道磁阻磁传感器之间间隔90°布置；所述的磁场检测芯片连接处理电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器，其特征在于：包括安装底座，所述的安装底座上设有磁场检测芯片，所述的磁场检测芯片采用4个三轴隧道磁阻磁传感器；沿着安装底座圆周均匀布置，即三轴隧道磁阻磁传感器之间间隔90°布置；所述的磁场检测芯片连接处理电路。


2.根据权利要求1所述的基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器，其特征在于：所述的处理电路包括信号调理电路和FPGA信号处理器。


3.根据权利要求1所述的基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器，其特征在于：所述的安装底座采用PCB板，安装底座呈环形开口结构。


4.一种权利要求1中所述的基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器的测量方法，其特征在于：将4个三轴隧道磁阻磁传感器分别编号为1234，以13连线为X轴，24连线为Y轴，其交点为O，与垂直与XOY平面的Z轴建立坐标系，该方法包括以下步骤：
S1：三轴隧道磁阻磁传感器分别测量测点处的磁感应强度；
S2：定位导线偏心位置，即计算导线与XOY平面的交点坐标；
S3：确定导线倾斜度；
S4：计算出四个测点处的电流值取平均值，求得导线的电流值。


5.根据权利要求4所述的基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器的测量方法，其特征在于：所述的步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李非凡，冀永芳，吴强，庄盛秋，王飞，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32