独立封装的电表传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种测量连接于导电体的负载的能量消耗的电表传感器。该电表传感器通过单独使用磁性传感器或使用磁性传感器与电容的组合，实现了在传感器与供电导线电气隔离情况下的负载电能消耗的测量。通过测量负载两端的电压和导线中的电流，实现负载的瞬时功率和其它所需参数的实时测量。电流是通过磁性传感器检测与流过导线的电流关联的磁场来测量的。电压的测量有两种可行的方式，一是磁性传感器测量与负载并联的分流电阻线圈中的电流，二是通过应用与负载并联的耦合电容分压器来测量。此外，本发明专利技术还公开了一种能控制传感器的偏置电流以自动调整量程和计算所需参数（例如，电能消耗）的专用集成电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于测量电能消耗的电表装置，更具体的，涉及采用隧道磁电阻 (TMR，Tunneling Magnetoresistive)器件测量穿过导电体的电流和连接于导电体的负载两端的电压的领域。
技术介绍
在电力行业中，从相对高成本的机械式瓦特-小时电表向易于集成的低成本、多功能、能进行数据存储的固态式远传电表系统转变正成为一种趋势。虽然已经开发了用于计算与电能计量相关的电路参数的集成电路，但是，仍然需要一种能耐受供电网络不稳定所造成的电流瞬变冲击的电表传感器。它需要能在一个很宽的量程范围内测量不同环境下工作的不同负载的电能消耗，同时具有低成本、高精度和高集成度的优点。因此，开发一种与供电网络电气隔离的固态电表传感器是一种重要的实际需求。另外，通常的电表采用具有模拟输出的离散的传感器将电压和电流信息提供给后续计算电能消耗的微处理器电路。由于电能测量本身的特点，以及供电导线最小尺寸的限制，通常将传感器集成到与用于电能计算的微处理器相同的集成电路封装中非常困难。另外，一种能提供被测负载电压和电流等电能参数数字化的值，并与现有的供电网络电气隔离的传感器很容易和后续电路集成到一起，从而提高固态电表工作的稳定性，并降低成本。此外，获得高测量分辨率也是电表传感器的一个非常重要的参数。有一种重要的趋势是采用霍尔传感器和磁阻传感器——包括各向异性磁电阻(AMR，Anisotropic Magnetoresistance)禾口巨磁电阻(GMR, Giant Magnetoresistance)替代常用的电、流互感器或罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)来进行电流测量。霍尔传感器相对成本较高而且分辨率较低。各向异性磁电阻和巨磁电阻器件虽然具有较高的分辨率，但由于其输出信号幅值通常较小，从而增加了前端放大电路设计的困难，这使得整个系统的复杂度和集成电路尺寸有所增加，从而相应地提高了其成本。隧道磁电阻(TMR)器件，也称磁性隧道结(MTJ， MagneticTunnel Junction)器件，能提供一个很高的分辨率和更大幅值的信号，因此其前端放大电路比较简单，这样，采用TMR传感器件进行电能消耗测量，在整体上成本能得到有效降低。
技术实现思路
为了克服现有技术中的缺点，本专利技术提供一种测量系统与被测供电网络电气隔离，具有数字化输出，精度和分辨率更高的电表传感器，即一种采用隧道磁电阻的固态高精度电流隔离式电表传感器。按照本专利技术所提供的技术方案，电表传感器通过使用TMR磁性传感器或TMR磁性传感器与电容的组合，在传感器与供电网络电气隔离情况下测量负载所消耗的电能。通过测量负载两端的电压和导线中的电流，以获得负载的瞬时功率和其它所需要参数的实时测量。电流通过磁性传感器检测与流过导线的电流相关联的磁场来测量。电压的测量包括两种不同的方式，一是测量一个与负载并联的分流线圈所产生的磁场，二是通过测量与负载并联的耦合电容分压器的电压。之后将负载的电流和电压信号经ADC模数转换为数字信号，经微处理器计算处理后，再采用接口逻辑电路将所测得的数据转换成后续应用的可能形式。具体的有以下技术方案方案一一种独立封装的电表传感器，可以用来测量连接在导线上的负载的能量消耗，主要包括以下部分一串联在电源输入与负载之间的内部导线；一串联在内部电源导线和外部地线或中性线间的电压分流线圈与内部电阻，电压分流线圈与负载并联； 第一磁性传感器，其紧邻内部导线并与流过该导线的电流所产生的磁场磁耦合； 第一磁性传感器测量环绕着该内部导线的磁通量，并且产生响应于该磁通量的一第一输出 (电流信号)，该第一输出指示导线中的电流大小；第二磁性传感器，其紧靠与负载并联的电压分流线圈安置，并与流经该电压分流线圈电流的磁场磁耦合；第二磁性传感器检测通过电压分流线圈的电流，并提供响应于该电流的一第二输出(电压信号)，该第二输出指示负载两端的电压；一对电压信号和电流信号进行采样并将它们转换成数字形式的采样模块；一对所采样数据进行处理的数据处理模块；一用来对第一磁性传感器输出的电流信号和第二磁性传感器输出的电压信号采样时间进行分时复用的多路复用器；一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块。优选地，第一磁场传感器和第二磁场传感器使用的是MTJ磁性隧道结器件。优选地，第一磁性传感器件、第二磁性传感器件、采样模块、数据处理模块以及通信的数据转换接口逻辑模块与分流电阻线圈、待测网络电气和物理隔离，隔离是通过使用磁耦合和绝缘电介层来实现的。优选地，第一磁性传感器和第二磁性传器各自包含至少一个MTJ传感器。优选地，至少一个磁性传感器件具有一偏置电压响应特征曲线，该曲线被用来控制传感器的响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。优选地，至少一个磁性传感器件具有一片上电磁铁，该电磁铁用以线性化传感器响应。方案二一种独立封装的电表传感器，可以用来测量连接在导线上的负载的能量消耗，主要包括一串联在电源输入与负载之间的内部导线；一内部电阻和用以将电压检测电路与电源输入导线隔离的外接电容，该外接电容可以用一 RC网络来替代，以调整它的带宽；一磁性传感器紧邻内部导线安置并与流过该导线的电流相关联的磁场磁耦合；该磁性传感器检测环绕着内部导线的磁通量，并且产生响应于该磁通量的一第一输出(电流信号)，该第一输出指示导线中的电流大小；—连接到放大器或缓冲器的两个输入端的电阻，该电阻与外接的电容结合使用以形成一分压网络，该网络用以测量负载两端的电压；一对电压信号和电流信号进行采样并转换成数字形式的采样模块；一对采样数据进行处理的数据处理模块；一用来对第一磁性传感器输出的电流信号和第二磁性传感器输出的电压信号采样时间进行分时复用的多路复用器；一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式兼容的接口逻辑模块。优选地，磁性传感器使用的是MTJ磁性隧道结器件。优选地，磁性传感器包含至少一个MTJ传感器。优选地，磁性传感器件、采样模块、数据处理模块以及通信的数据转换接口逻辑模块与分流电阻线圈、待测网络电气和物理隔离，隔离是通过使用的磁耦合和绝缘电介层来实现的。优选地，至少一个磁性传感器件具有偏置电压响应特征曲线，该曲线用以控制传感器的响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。优选地，磁性传感器件具有一片上电磁铁，该电磁铁用以线性化传感器响应。方案三方案三所述的独立封装的电表传感器，可以用来测量连接在导线上的负载的能量消耗，主要由以下部分组成一串联在电源输入与负载之间的外部导线；一串联在外部电源导线与外部地线或供电系统中性端的电压分流线圈，该电压分流线圈与负载并联；安装在电表传感器封装内部的第一磁性传感器，它与流过外部导线的电流所产生的磁场磁耦合，第一磁性传感器检测与外部导线相关联的磁通量，并且响应于该磁通量而产生一第一输出(电流信号)，该第一输出指示所述导线中的电流大小；第二磁性传感器，其紧靠与负载并联的电压分流线圈安置，并与流经该电压分流线圈的电流所产生的磁场磁耦合，第二磁性传感器检测通过电压分流线圈的电流，并响应该电流而输出一电压信号，该电压信号代表负载两端的电压；内部的一高磁导率的屏蔽结构，用以将第二磁性传感器件屏蔽于外部导线所产生的磁场，磁性屏蔽层离第一磁性传感器件足够本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种独立封装的电表传感器（１８），其用以测量连接在导线（３）上的负载（２）的能量消耗，其特征在于包括：一内部导线（３），其串联在电源（１）与负载（２）之间；一内部电阻性电压分流线圈（４），其串联在内部电源导线（３）和外部地线或中性接头之间；第一磁性传感器（１２），其紧邻内部导线（３）设置并与流过该导线的电流所产生的磁场磁耦合，第一磁性传感器测量环绕着该导线的磁通量，并且产生响应于该磁通量的一第一输出，该第一输出指示导线中的电流量（Ｉ）；第二磁性传感器（１１），其紧靠与负载（２）并联的电压分流线圈（４）设置，并与流经该电压分流线圈电流的磁场磁耦合，第二磁性传感器（１１）检测通过电压分流线圈的电流，并提供响应于该电流的一第二输出，该第二输出指示负载（２）两端的电压（Ｖ）；一采样模块（１４），用于对电压信号（Ｖ）和电流信号（Ｉ）进行采样并将它们转换成数字形式；一数据处理模块（１５），其对采样数据进行处理；一用来对第一磁性传感器（１２）输出的电流信号（Ｉ）和第二磁性传感器（１１）输出的电压信号（Ｖ）采样时间进行分时复用的多路复用器（１３）；一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块（１６）。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·G·迪克，金英西，沈卫锋，王建国，薛松生，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32