具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法技术

本发明专利技术提供一种具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法，通过获取待测导线周围的磁通量及聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；根据磁场强度和相对位置信息，计算得出待测导线中的电流。通过在隧道磁阻电流传感器上增加角度传感器，测量传感器与待测导线的相对偏移位置，校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法
本专利技术涉及电力传感器领域，尤其涉及一种具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法。
技术介绍
电流是能耗监测的基础测量对象之一。通过研发小型化、高精度、非接入式的电流传感器，可为随器量测、能效监测、负荷控制等各类量测终端的小型化、模块化、标准化奠定坚实基础，将状态感知延伸到用能设备端。电力系统中需要根据不同电流的测量场景选择合适的传感器。目前较为成熟的电流传感技术主要包括分流电阻(Shunt)、电流互感器(CT)、罗科夫斯基线圈(Rogowski)、霍尔电流传感器(Hall)、光纤电流传感器(FOCT)、磁通门电流传感器(Fluxgate)等，但将这些设备应用到电网的各类电流测量中都有各自的缺点：分流电阻串联在电路中，测量大电流时的损耗大、没有电气绝缘，因此在需要电气绝缘的环境中使用时，需要额外配置电气绝缘措施，导致成本升高、带宽降低；罗氏线圈和传统电流互感器体积较大，仅适用于工频交流信号，测量精度有限；霍尔电流传感器受温度变化影响大；光纤电流传感器由于质地较脆，极易受振动的影响，对工艺水平要求较高，造价昂贵。电流测量亟待性能更优异的电流传感器。隧道磁电阻(TMR,TunnelingMagneto-Resistance)是近年研究出的新型磁电阻效应传感器元件，代表了磁敏新材料技术发展方向，基于隧穿磁阻效应的无接触式电流传感器具有灵敏度高、线性度好，测量范围大，动态响应性能好等优势，是今后电流传感器重要的发展方向。目前常规的隧道磁组电流传感器包括隧道磁阻芯片、磁环、信号调理电路。待测导线中的电流在周围空间产生磁场，磁环对空间磁场进行聚磁作用，隧道磁阻芯片位于在磁环开口处，其内部电桥电阻发生变化并进一步转换为电压信号，该信号通过信号处理信号进行放大、滤波等处理后，输出模拟信号。实际应用中会出现的传感器与待测导线存在不同程度的角度偏转和位置偏移，待测导线也很难位于传感器的几何中心，会对传感器的测量精度会造成一定程度的影响，虽然通过磁环聚集磁通量的方法提高了磁场增益，但是不能从根本上消除空间位置所带来的误差。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提供一种具有误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法，通过在隧道磁阻电流传感器上增加角度传感器，测量传感器与待测导线的相对偏移位置，校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。本专利技术一方面的实施例提供具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，包括：依次连接的聚磁环、TMR敏感芯片、微处理器；以及与微处理器连接的角度传感器；所述聚磁环，套设在待测导线外部，用于获取待测导线周围的磁通量；所述角度传感器，用于获取聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；所述TMR敏感芯片，设置在聚磁环的气隙间隔处，用于根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；所述微处理器，用于根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。在本专利技术提供的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器中，采用角速度传感器获取相对位置，对聚磁环与TMR芯片在使用时出现的位置偏差，进行修正，实现了校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。优选的，所述角度传感器包括相对位置矩阵单元，所述相对位置矩阵单元采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度形成的变换矩阵表示相对位置。在上述任意一项实施例中进一步优选的，所述微处理器，包括磁场放大倍数测量单元、偏转矩阵计算单元和电流计算单元；所述磁场放大倍数测量单元，根据无偏转情况下，使用磁环时的TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；所述偏转矩阵计算单元，用于根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；所述电流计算单元；用于根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。在本实施例中，通过计算磁场强度增大倍数，以及利用相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；即可反向计算得出待测导线中的电流，减小了由于空间位置误差，通过项数消减，减少了计算量，计算结果更准确。在上述任意一项实施例中进一步优选的，还包括设置在TMR敏感芯片与位处理器之间依次连接的信号处理电路、模数转换电路；以及为其他模块供电的电源电路；所述信号处理电路用于将磁场强度信号进行放大、滤波；所述模数转换电路用于将滤波后的模拟信号转化为数字信号；所述电源电路用于给其他模块进行供电。在上述任意一项实施例中进一步优选的，还包括数据传输模块，所述数据传输模块，用于将计算得出的待测导线中的电流数据进行打包上传。在本实施例中，将电流传感器与角度传感器进行一体化设计，改进电流传感器空间位置误差校准方法，进一步降低电流测量误差，提高电流传感器测量精度。所制成的电流测量装置安装在配电箱等用户侧分支线路出线侧，实现电流数据精确采集，配合电压数据采集，可完成能效监测，对用户分支线路回路的用电情况进行监测。本专利技术还提供一种位置误差校准方法，包括以下步骤：S1、获取待测导线周围的磁通量及聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；S2、根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；S3、根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。在上述任意一项实施例中进一步优选的，所述相对位置信息采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度形成的变换矩阵表示。在本专利技术提供的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器中，采用角速度传感器获取相对位置，对聚磁环与TMR芯片在使用时出现的位置偏差，进行修正，实现了校准隧道磁阻芯片所处位置与被测电流导线的绝对位置，通过磁场矢量分解计算，得出准确的被测电流值，提高电流传感器的测量精度。在上述任意一项实施例中进一步优选的，计算待测导线中的电流时，采用以下方法：根据无偏转情况下，使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。在上述任意一项实施例中进一步优选的，所述进行反向计算时，采用如下公式：其中，为气隙中心坐标、为磁敏单元敏感方向、D为磁环外径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，包括：依次连接的聚磁环、TMR敏感芯片、微处理器；以及与微处理器连接的角度传感器；/n所述聚磁环，套设在待测导线外部，用于获取待测导线周围的磁通量；/n所述角度传感器，用于获取聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；/n所述TMR敏感芯片，设置在聚磁环的气隙间隔处，用于根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；/n所述微处理器，用于根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。/n

【技术特征摘要】
1.具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，包括：依次连接的聚磁环、TMR敏感芯片、微处理器；以及与微处理器连接的角度传感器；
所述聚磁环，套设在待测导线外部，用于获取待测导线周围的磁通量；
所述角度传感器，用于获取聚磁环与待测导线发生相对偏移后的相对位置信息；
所述TMR敏感芯片，设置在聚磁环的气隙间隔处，用于根据磁通量计算敏感轴方向上的磁场强度；
所述微处理器，用于根据利用相对位置信息对磁场强度进行校准，根据校准后的磁场强度计算得出待测导线中的电流。


2.根据权利要求1所述的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，所述角度传感器包括相对位置矩阵单元，所述相对位置矩阵单元采用绕Z轴右手旋转角度θ和绕Y轴左手旋转角度φ形成的变换矩阵表示相对位置。


3.根据权利要求1所述的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，所述微处理器，包括磁场放大倍数测量单元、偏转矩阵计算单元和电流计算单元；
所述磁场放大倍数测量单元，根据无偏转情况下，使用磁环时的TMR芯片处磁感应用强度与不使用磁环时TMR芯片处磁感应用强度的比值得出TMR芯片所接收到的磁场强度增大倍数；
所述偏转矩阵计算单元，用于根据相对位置信息计算气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；
所述电流计算单元；用于根据使用聚磁环情况下TMR敏感芯片测得的磁场强度，利用得出的磁场强度增大倍数和气隙中心坐标和TMR芯片的敏感轴方向向量；对磁场强度进行校准；根据校准后得出的磁场强度，反向计算得出待测导线中的电流。


4.根据权利要求1所述的具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器，其特征在于，还包括设置在TMR敏感芯片与位处理器之间依次连接的信号处理电路、模数转换电路；以及为其他模块供电的电源电路；
所述信号处理电路用于将磁场强度信号进行放大、滤波；所述模数转换电路用于将滤波后的模拟信号转化为数字信号；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李荡，焦飞，王兰若，雷煜卿，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11