一种基于TMR芯片的电流传感器和电流检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TMR芯片的电流传感器和电流检测方法，包括：TMR芯片，放置于环形铁芯的气隙中，用于产生第一电压信号；第一磁场是由穿过环形铁芯的中心的待测电流产生的，第二磁场是由通入参考电流的线圈产生的；参考电流生成电路，用于产生频率与待测电流不同的参考电流；差分放大电路，用于对第一电压信号进行差分放大，得到第二电压信号；信号分析处理模块，用于对第二电压信号进行DFT分析，得到主直流电压分量、参考电压分量和多个交流电压分量，然后将主直流电压分量和参考电压分量做除法运算，得到能够反映待测电流的电流值大小的电压数据。本发明专利技术在无需获知TMR芯片灵敏度温度特性的情况下实现对TMR芯片的温度补偿。温度特性的情况下实现对TMR芯片的温度补偿。温度特性的情况下实现对TMR芯片的温度补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TMR芯片的电流传感器和电流检测方法


[0001]本专利技术涉及TMR电流传感器电力检测领域，尤其涉及一种基于TMR芯片的电流传感器和电流检测方法。

技术介绍

[0002]随着直流输电系统的发展和新能源的开发利用，直流电流的测量对于电能计量和系统保护都非常重要。基于TMR磁阻效应的直流电流测量系统具有结构简单、与被测线路非接触、测量频带宽等优势，逐渐成为研究热点。基于TMR磁阻效应的直流电流测量系统利用带气隙的环形铁芯作为聚磁环，将TMR芯片置于气隙中，TMR芯片输出与被测电流成正比的电压信号，实现对线路电流的测量。
[0003]基于TMR磁阻效应的电流测量系统其性能主要取决于TMR芯片的特性，随着TMR制作工艺的成熟，其非线性误差在其测量范围内已经能控制在0.1％以内，但由于材料等原因，TMR的灵敏度温度依赖性仍较高，市售TMR芯片的灵敏度温度依赖性最低仍有几百ppm/℃，对于电网应用环境来说，很难使电流测量系统满足计量要求。目前，有研究单位提出了对于灵敏度温度依赖性的补偿方法，主要有两种：一是利用热敏电阻元件产生具有温度特性的电源作为TMR芯片的供电电压，使TMR芯片的供电电压和灵敏度的温度依赖性正好相互抵消；另一种方案是通过测量温度参数，将TMR的温度特性制作成表格，在软件中通过查表进行温度补偿。上述两种温度补偿方法都有一定的效果，但也有其不足。第一种利用热敏电阻温度特性改变TMR芯片供电电压的方法，需要热敏电阻的温度特性与TMR芯片的灵敏度温度依赖性在完全匹配的条件下才能发挥其作用，而TMR芯片的灵敏度温度依赖性具有分散性，意味着每个TMR芯片都需要匹配不同的热敏电阻，方能实现良好的温度补偿，这使得该种方法不具有通用性。第二种利用软件补偿的方法，需要实现通过实验获得TMR芯片的温度特性，并将其写入软件中，因为每个TMR芯片的分散性，需要对每个TMR芯片进行温度特性测试，因此该方法同样不具有通用性。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供一种基于TMR芯片的电流传感器和电流检测方法，在不需要获知TMR芯片灵敏度温度特性的情况下实现对待测电流的检测，从而消除TMR芯片和温度对电流检测精度和电流检测效率的影响。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种基于TMR芯片的电流传感器，包括：带气隙的环形铁芯、放置于所述气隙中的TMR芯片、参考电流生成电路、绕制在所述TMR芯片上的线圈、差分放大电路和信号分析处理模块；
[0006]其中，所述TMR芯片，处于方向相同的第一磁场和第二磁场中，用于根据所述第一磁场和所述第二磁场，产生第一电压信号；所述第一磁场是由穿过所述环形铁芯的中心的待测电流产生的，所述第二磁场是当所述线圈通入参考电流时由所述参考电流产生的；
[0007]所述参考电流生成电路，用于产生所述参考电流；所述参考电流的频率与所述待
测电流的频率不同；
[0008]所述差分放大电路，用于对所述TMR芯片输出的所述第一电压信号进行差分放大，得到第二电压信号；
[0009]所述信号分析处理模块，用于对所述差分放大电路输出的所述第二电压信号进行DFT分析，得到所述第二电压信号对应的主直流电压分量、参考电压分量和多个交流电压分量，然后将所述主直流电压分量和所述参考电压分量做除法运算，得到并输出能够反映所述待测电流的电流值大小的电压数据。
[0010]实施本专利技术实施例，当待测电流穿过带气隙的环形铁芯的中心时，由待测电流产生第一磁场，以使放置于气隙中的TMR芯片处于第一磁场中，同时通过参考电流生成电路产生与待测电流频率不同的参考电流，使得能够在信号分析处理模块中通过DFT分析进行信号的分离，并将参考电流通入绕制在TMR芯片上的线圈，由线圈产生参考电流对应的第二磁场，以使TMR芯片处于第二磁场中，实现在TMR芯片上同时施加待测电流对应的第一磁场和参考电流对应的第二磁场，从而使得TMR芯片输出与第一磁场和第二磁场相关联的第一电压信号，然后对第一电压信号进行差分放大，以便对放大得到的第二电压信号进行DFT分析，从而将第二电压信号分离为对应的主直流电压分量、参考电压分量和多个交流电压分量。由于主直流电压分量和参考电压分量，除了差分放大增益和TMR芯片的灵敏度之外，仅与电流和磁场之间的转换系数、待测电流中的主直流分量、以及参考电流有关，因此通过对主直流电压分量和参考电压分量做除法运算，可以得到仅与电流和磁场之间的转换系数、待测电流中的主直流分量、以及参考电流相关的运算结果，而与TMR芯片的灵敏度无关，实现电流传感器对TMR芯片灵敏度温度依赖性的补偿。
[0011]作为优选方案，所述参考电流生成电路，具体包括：数模转换器和压控电流源；
[0012]其中，所述数模转换器，与所述信号分析处理模块中的微控制单元连接，用于将所述微控制单元输出的参考电压信号进行D/A数模转换，得到所述参考电压信号对应的模拟信号；
[0013]所述压控电流源，与所述数模转换器连接，用于将所述模拟信号转换为对应的所述参考电流。
[0014]实施本专利技术实施例的优选方案，将微控制单元输出的已知的参考电压信号进行D/A数模转换，以便进行信号传输，然后利用压控电流源，对模拟信号进行转换，从而为绕制在TMR芯片上的线圈提供具备高稳定性的参考电流。
[0015]作为优选方案，所述信号分析处理模块，具体包括：模数转换器和微控制单元；
[0016]其中，模数转换器，与所述差分放大电路连接，用于将所述差分放大电路输出的所述第二电压信号进行A/D模数转换，得到所述第二电压信号对应的数字信号；
[0017]所述微控制单元，与所述模数转换器连接，用于对所述数字信号进行DFT分析，得到所述第二电压信号对应的所述主直流电压分量、所述参考电压分量和多个所述交流电压分量，并将所述主直流电压分量和所述参考电压分量做除法运算，得到并输出能够反映所述待测电流的电流值大小的电压数据。
[0018]实施本专利技术实施例的优选方案，将差分放大电路输出的第二电压信号进行A/D模数转换，以便微控制单元进行运算分析，从而经过对数字信号的DFT分析，得到第二电压信号对应的主直流电压分量、参考电压分量和多个交流电压分量。
[0019]作为优选方案，所述线圈的绕制方向垂直于所述TMR芯片的磁场敏感方向，所述TMR芯片的磁场敏感方向与所述第一磁场的方向相同。
[0020]实施本专利技术实施例的优选方案，由于线圈的绕制方向垂直于TMR芯片的磁场敏感方向，所以当线圈通入参考电流时，线圈产生的第二磁场的方向与TMR芯片的磁场敏感方向平行，而待测电流穿过带气隙的环形铁芯，其所产生的第一磁场的方向也同样与TMR芯片的磁场敏感方向平行，因此第一磁场与第二磁场的方向相同，能够直接获知施加在TMR芯片上的总磁场是第一磁场和第二磁场的简单叠加，从而简便地分析TMR芯片的输出电压与第一磁场和第二磁场之间的关系。
[0021]为了解决相同的技术问题，本专利技术实施例还提供了一种基于TMR芯片的电流检测方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TMR芯片的电流传感器，其特征在于，包括：带气隙的环形铁芯、放置于所述气隙中的TMR芯片、参考电流生成电路、绕制在所述TMR芯片上的线圈、差分放大电路和信号分析处理模块；其中，所述TMR芯片，处于方向相同的第一磁场和第二磁场中，用于根据所述第一磁场和所述第二磁场，产生第一电压信号；所述第一磁场是由穿过所述环形铁芯的中心的待测电流产生的，所述第二磁场是当所述线圈通入参考电流时由所述参考电流产生的；所述参考电流生成电路，用于产生所述参考电流；所述参考电流的频率与所述待测电流的频率不同；所述差分放大电路，用于对所述TMR芯片输出的所述第一电压信号进行差分放大，得到第二电压信号；所述信号分析处理模块，用于对所述差分放大电路输出的所述第二电压信号进行DFT分析，得到所述第二电压信号对应的主直流电压分量、参考电压分量和多个交流电压分量，然后将所述主直流电压分量和所述参考电压分量做除法运算，得到并输出能够反映所述待测电流的电流值大小的电压数据。2.根据权利要求1所述的一种基于TMR芯片的电流传感器，其特征在于，所述参考电流生成电路，具体包括：数模转换器和压控电流源；其中，所述数模转换器，与所述信号分析处理模块中的微控制单元连接，用于将所述微控制单元输出的参考电压信号进行D/A数模转换，得到所述参考电压信号对应的模拟信号；所述压控电流源，与所述数模转换器连接，用于将所述模拟信号转换为对应的所述参考电流。3.根据权利要求1所述的一种基于TMR芯片的电流传感器，其特征在于，所述信号分析处理模块，具体包括：模数转换器和微控制单元；其中，模数转换器，与所述差分放大电路连接，用于将所述差分放大电路输出的所述第二电压信号进行A/D模数转换，得到所述第二电压信号对应的数字信号；所述微控制单元，与所述模数转换器连接，用于对所述数字信号进行DFT分析，得到所述第二电压信号对应的所述主直流电压分量、所述参考电压分量和多个所述交流电压分量，并将所述主直流电压分量和所述参考电压分量做除法运算，得到并输出能够反映所述待测电流的电流值大小的电压数据。4.根据权利要求1所述的一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟立华，党三磊，潘峰，李金莉，杨劲锋，何新辉，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司计量中心，
类型：发明
国别省市：