巨磁阻效应电流传感器的制造方法
【专利摘要】本发明巨磁阻效应电流传感器，涉及用于测量电流的装置，是一种带磁屏蔽壳与偏置线圈的巨磁阻效应电流传感器，其构成包括U型磁屏蔽壳、巨磁阻芯片、偏置线圈绕组、载流导体、PCB板、偏置电流源和信号处理电路，其中，由U型磁屏蔽壳、巨磁阻芯片、偏置线圈绕组、载流导体和PCB板构成巨磁阻效应电流传感器的探头，上述信号处理电路包括偏置磁场发生电路、巨磁阻芯片供电电压转换电路、参考电压产生电路和改进型差分运算放大电路，磁屏蔽壳的存在克服了因巨磁阻对磁场的高度敏感特性使得它们同时易受外界杂散磁场的影响的缺陷，同时又通过偏置线圈绕组提供偏置磁场的方法降低了磁滞误差以及实现对交直流电流的精确测量。
【专利说明】巨磁阻效应电流传感器
【技术领域】
[0001]本发明的技术方案涉及用于测量电流的装置，具体地说是巨磁阻效应电流传感器。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，高性能紧凑型电流传感器的需求逐渐增大。传统的电流检测方法包括分流器、电流互感器、罗氏线圈和霍尔传感器；新型电流检测技术包括磁通门传感器、巨磁阻效应电流传感器和光纤传感器。相比之下，巨磁阻效应电流传感器有其自身突出的优势性能，具有独特的磁感应能力。巨磁阻效应电流传感器具有对施加磁场高灵敏度、高工作带宽范围、温度稳定性极佳、低功耗和小型化等特点。
[0003]然而，由于巨磁阻对磁场的高度敏感特性，使得它们同时易受外界杂散磁场的影响。这些杂散磁场的场源包括电机和变压器等电器设备，或者传感器周围的载流导体等等。杂散磁场会引起传感器产生较大的输出误差，影响了电流测量结果的准确度。同时，当被测磁场较弱且正负交替变化时，由于巨磁电阻相邻铁磁层间较弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片表现出明显的磁滞效应。另外现有技术中所用的巨磁阻芯片为单极性输出特性，当被测量为交流电流时，输出波形类似于全波整流输出，这样输出的波形容易失真，引起较大的输出误差。
[0004]CN102043083A公开了一种巨磁阻阵列电流传感器，以实现交直流的同时测量，并能完成信息的数字化传输、存储。然而该传感器的不足之处在于:①该传感器探头需要8个巨磁阻芯片和16个条形的铝镍钴永磁体构成，成本较高，探头结构较为复杂；②利用永磁体提供偏置磁场，这样产生的磁场不够稳定，永磁体随着环境温度的变化会发生退磁现象，造成输出信号不精确此传感器对探头输出的电压信号进行采样保持及A/D转换，再经FPGA处理进行空间傅里叶变换，如此信号处理电路较为复杂。
[0005]CN101038305B提出了一种基于非晶软磁条带所具有的巨磁阻抗(GMI)效应的阵列式电流传感器，其缺陷有三点:①对两个阵列式非晶电流传感器探头要求完全一样并平行对称，但是由于制造工艺等原因很难保证两个阵列式非晶电流传感器探头完全一致，由此产生的温漂现象会引起一定的输出误差；②传感器电路部分包括两路科比茨振荡电路和整流电路，涉及起振电容、晶振、晶体管、高频运算放大器、整流二极管、稳压电容及滤波电容等器件，电路较为复杂；③利用永磁体提供偏置磁场同样存在如CN102043083A中的②所述的缺陷和不足。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是:提供巨磁阻效应电流传感器，是一种带磁屏蔽壳与偏置线圈的巨磁阻效应电流传感器，磁屏蔽壳的存在克服了因巨磁阻对磁场的高度敏感特性使得它们同时易受外界杂散磁场的影响的缺陷；同时又通过偏置线圈绕组提供偏置磁场的方法降低了磁滞误差以及实现对交直流电流的精确测量。[0007]本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:巨磁阻效应电流传感器，是一种带磁屏蔽壳与偏置线圈的巨磁阻效应电流传感器，其构成包括U型磁屏蔽壳、巨磁阻芯片、偏置线圈绕组、载流导体、PCB板、偏置电流源和信号处理电路，其中，由U型磁屏蔽壳、巨磁阻芯片、偏置线圈绕组、载流导体和PCB板构成巨磁阻效应电流传感器的探头，上述信号处理电路包括偏置磁场发生电路、巨磁阻芯片供电电压转换电路、参考电压产生电路和改进型差分运算放大电路；PCB板置于U型磁屏蔽壳内，巨磁阻芯片固定放置在PCB板的上方，载流导体置于巨磁阻芯片的下方，偏置线圈绕组均匀的缠绕在巨磁阻芯片上，巨磁阻芯片供电电压转换电路的输出电压连接到巨磁阻芯片的电源引脚，偏置电流源连接到偏置线圈绕组两端，改进型差分运算放大电路两个输入端分别连接在巨磁阻芯片的正输出端和巨磁阻芯片的负输出端，参考电压产生电路的输出电压Vref连接在改进型差分运算放大电路的正输入端，经过改进型差分运算放大电路输入端信号的叠加，最后在改进型差分运算放大电路的输出端输出电流传感器的输出信号，由此构成巨磁阻电流传感器。
[0008]上述巨磁阻效应电流传感器，所述U型磁屏蔽壳采用的是坡莫合金材料制作，其电阻率为0.56 μ Ω.m，居里点为400°C，饱和磁感应强度为Bs=0.7T，饱和磁感应强度下的矫顽力He不大于1.6A/m，直流磁性能满足在0.08A/m磁场强度中的磁导率不小于37.5mH/m,厚度是Imm,宽度是7mm,高度是IOmm,长度是13mm。
[0009]上述巨磁阻效应电流传感器，所述巨磁阻芯片即GMR芯片，采用的是美国NVE公司生产的AA002-02。
[0010]上述巨磁阻效应电流传感器，所述偏置磁场发生电路由芯片LT3092和偏置线圈绕组L构成，芯片LT3092利用一个内部电流源和误差放大器以及两个外部电阻器Rset和电阻器Rout来提供输出电流，调节电阻器Rset和电阻器Rout的阻值的大小可以得到一个位于0.5mA至200mA的恒定输出电流，LT3092输出端连接到偏置线圈绕组L，偏置线圈绕组L另一端接地，偏置线圈绕组L的线圈直径为0.08mm，匝数为50匝，直流电阻为3.487 Ω，通过的直流电流大小为50mA，电阻器Rset阻值为20k Ω，电阻器Rout阻值为4k Ω。
[0011]上述巨磁阻效应电流传感器，所述巨磁阻芯片供电电压转换电路的构成方式是:稳压器VR7805的输入端Vin接巨磁阻电流传感器系统供电直流电电源+15V，0.33uF的滤波电容Cl并联在稳压器VR7805的输入端Vin与稳压器VR7805的接地端之间，稳压器VR7805的输出端Vout输出稳定的+5V电压的直流电，0.1uF的滤波电容C2并联在稳压器VR7805的输出端Vout与稳压器VR7805的接地端之间，由此Vout引脚的输出电压为稳定的5V直流电。
[0012]上述巨磁阻效应电流传感器，所述参考电压产生电路的构成方式是:运算放大器UlA和电阻Rl和R2和R3组成反相输入比例运算电路，电阻Rl的一端接UlA的正相输入端，电阻Rl的另一端接地，电阻R2的一端接UlA的反相输入端，电阻R2的另一端接直流5V的电压源，电阻R3两端分别接到UlA的反相输入端和输出端，UlA的供电电压是+15V和-15V ；UlA的输出端接到UlB的正相输入端，UlB的反相输入端与输出端连在一起构成电压跟随器，运算放大器UlA和运算放大器UlB的型号均为LF353，上述电阻Rl阻值为8.2k Ω，电阻R2阻值为3.6k Ω，电阻R3阻值为IOk Ω。
[0013]上述巨磁阻效应电流传感器，所述改进型差分运算放大电路的构成是:电阻R4的一端接运算放大器Al的反相输入端，电阻R4的另一端接运算放大器A2的输出端，电阻R5的一端接运算放大器A2的反相输入端，电阻R5的另一端接运算放大器Al的输出端，运算放大器A2的正输入端连接到运算放大器Al的输出端，电阻R6的两端分别接到运算放大器A2的反相输入端和输出端，电阻Rl的一端接电压U1，电阻Rl的另一端接运算放大器Al的反相输入端，电阻R2的一端接电压U2，电阻R2的另一端接运算放大器Al的正相输入端，电阻R3的一端接运算放大器Al的正相输入端，电阻R3的另一端接地，运算放大器Al和运算放大器A2的型号均为LF356，上述电阻Rl阻值为27k Ω，电阻R2阻值为27k Ω，电阻R3阻值为270k Ω，电阻R4阻值为270k Ω，电阻R5阻值为Ik Ω，电阻R6阻值为IOk Ω。
[0014]上述巨磁阻效应电流传感器，所涉及的器件和零部件均是公知途径获得的，所有部件的安装方法是本【技术领域】的技术人员所掌握的。
[0015]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点是:
[0016](I)巨磁阻电流传感器工作原理是基于载流导体产生的磁场，为了使芯片处的磁场尽量增大同时保证外界杂散磁场对芯片处引起的干扰最小，有效的方法是应用磁屏蔽技术，即本发明所采用的磁屏蔽壳并且将其设计成U型结构。磁屏蔽是用来隔离磁场耦合的措施，是利用磁通沿低磁阻路径流通的原理来改变外界杂散磁场的方向，从而使磁力线聚集于屏蔽体内。由磁阻公式Rm=VuS可知，磁阻与材料的磁导率成反比，因此一般要选用高磁导率材料。为了增大检测范围的量程，应选用高饱和磁密的导磁材料，同时为了得到实时精确的检测结果，要选用低磁滞、低矫顽力材料。常用的磁屏蔽材料包括:电磁软铁，硅钢片、坡莫合金、非晶合金等。其中非晶合金磁导率最高，但价格较为昂贵，电磁软铁和硅钢片价格便宜，但磁导率较低。从性能和成本方面考虑，本发明选择了坡莫合金材料作为屏蔽壳。
[0017](2)虽然由高磁导率的坡莫合金磁材料组成的磁屏蔽壳，可以有效聚集期望信号，同时减少外界杂散磁场的影响，但是检测探头所用的巨磁阻芯片为单极性输出特性，当被测量为交流电流时，输出波形类似于全波整流输出，这样输出的波形容易失真，引起较大的输出误差。另外，由于本发明带有磁屏蔽壳与偏置线圈的基于巨磁阻效应的电流传感器由于巨磁阻芯片为磁性元件，因此存在典型的磁特性，即存在磁滞现象和饱和现象。当被测磁场超过某个值时，巨磁阻芯片达到饱和，输出不再增加。当被测磁场较弱且在正负过零点间变化时，由于巨磁电阻相邻铁磁层间较弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片表现出明显的磁滞效应。与此同时，所用的巨磁阻芯片为单极性输出特性，当被测量为交流电流时，输出波形类似于全波整流输出，这样输出的波形容易失真，引起较大的输出误差。为此本发明设计了独特的偏置磁场结构，通过磁场的叠加使得作用于巨磁阻芯片即GMR芯片的磁场全部提高到线性区。这样当无被测磁场时，巨磁阻芯片输出一个直流偏置电压，当有被测电流时，巨磁阻芯片的输出电压是在原偏置电压的基础上又叠加了一个由被测电流产生的磁场而产生的电压，提供直流偏置磁场可以有效地改善传感器的线性度和磁滞误差。
[0018](3)由于巨磁阻芯片输出信号为微弱的差分信号，因此需要应用差分运算放大电路对信号进行放大。一般差分运算放大电路由一个集成运算放大器与外加电阻网络组成，这种结构随着被测信号频率的增大而造成输入输出相位差也增大，影响了被测信号的带宽范围。为了降低相位误差，本发明提出了一种改进型差分运算放大电路，其结构是在一般差分运算放大电路的反馈回路中引入了运放电阻网络，可有效补偿相位误差，同时具有较高的共模抑制比。该改进型差分运算放大电路正输入端的参考电压Vref用于消除偏置磁场产生的偏置电压，使得本发明的巨磁阻电流传感器最终输出得到一个双极输出的电压，也即输出有正有负的电压。
[0019]与现有技术相比，本发明的显著进步是:
[0020](I)本发明带有磁屏蔽壳与偏置线圈的基于巨磁阻效应的电流传感器在满量程范围内的最大误差为0.8%，并且具有较高的灵敏度和精度；
[0021](2)本发明带有磁屏蔽壳与偏置线圈的基于巨磁阻效应的电流传感器的磁屏蔽壳采用坡莫合金材料，其具有高磁导率、低矫顽力、高矩形比、磁芯损耗低和高温稳定性好的优点，并且饱和磁感应强度较高，耐磨性和耐蚀性都强。加磁屏蔽壳不但使传感器输出的灵敏度得到了很大的提高，同时线性度也在一定程度上有了改善。
[0022](3)本发明带有磁屏蔽壳与偏置线圈的基于巨磁阻效应的电流传感器有效的聚集了期望信号，同时减少外界杂散磁场的影响。当存在2mT的外界杂散场时，本发明具有屏蔽壳的巨磁阻电流传感器的输出误差信号约为4mV，与无屏蔽壳的电流传感器的输出误差信号约为400mV相比，受外界杂散场的影响减小了约为100倍。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024]图1是本发明巨磁阻电流传感器的探头结构图。
[0025]图2是本发明巨磁阻电流传感器中各个构成部分之间相互作用示意图。
[0026]图3是本发明巨磁阻电流传感器的结构示意图。
[0027]图4是本发明巨磁阻电流传感器的巨磁阻芯片供电电压转换电路示意图。
[0028]图5是本发明巨磁阻电流传感器的偏置磁场发生电路示意图。
[0029]图6是本发明巨磁阻电流传感器的参考电压产生电路示意图。
[0030]图7是一般形式差分运算放大电路的电路示意图。
[0031]图8是本发明巨磁阻电流传感器的改进型差分运算放大电路示意图。
[0032]图9是本发明巨磁阻电流传感器在有与无偏置磁场两种情况下的磁滞曲线。
[0033]图10是本发明巨磁阻电流传感器在有与无磁屏蔽壳两种情况下的输入输出特性曲线。
[0034]图11是本发明巨磁阻电流传感器在加磁屏蔽壳时电流传感器相对误差曲线图。
[0035]图中，1.磁屏蔽壳，2.偏置线圈绕组，3.巨磁阻芯片，4.载流导体，5.PCB板，6.偏置电流源，7.改进型差分运算放大电路，8.参考电压产生电路，9.巨磁阻芯片正输出端，
10.巨磁阻芯片负输出端。
【具体实施方式】
[0036]图1所示实施例表明，本发明巨磁阻电流传感器的探头包括磁屏蔽壳1、偏置线圈绕组2、巨磁阻芯片3、载流导体4和PCB板5，磁屏蔽壳I是U型结构，从性能和成本方面考虑，选择了坡莫合金作为屏蔽壳的材料，使巨磁阻芯片3处的磁场尽量增大，同时保证外界杂散磁场对巨磁阻芯片3处引起的干扰最小。由于巨磁阻芯片3有单极性输出的特性，因此通过偏置线圈绕组2提供直流偏置磁场，偏置线圈绕组2均匀的缠绕在巨磁阻芯片3上，通过磁场的叠加使得作用于巨磁阻芯片3的磁场全部提高到线性区。巨磁阻芯片3固定在PCB板5上。载流导体4置于巨磁阻芯片3和PCB板5之间，载流导体4中通入电流产生磁场，巨磁阻芯片3在被测磁场的作用下输出差分电压信号。由于输出信号与被测磁场之间具有线性变化规律，输出的电压正比于被测电流，从而实现电流信号的测量功能。
[0037]图2所示实施例表明，本发明巨磁阻电流传感器中各个构成部分之间相互作用是:巨磁阻芯片放置在磁屏蔽壳内；偏置磁场发生电路作用于巨磁阻芯片，使得作用于巨磁阻芯片的磁场全部提高到线性区；被测电流产生的磁场经过磁屏蔽壳聚磁后作用于巨磁阻芯片，巨磁阻芯片输出电压信号进入图中虚线框所示改进型差分运算放大电路中的一般形式差分运算放大电路；为了消除偏置磁场发生电路引起的直流偏置电压，在虚线框所示改进型差分运算放大电路输入端加入了参考电压产生电路产生的参考电压，通过该参考电压与偏置磁场发生电路产生的偏置电压的叠加，起到偏置补偿的作用。由于一般形式差分运算放大电路随着被测信号频率的增大而造成输入输出相位差也增大，因此在一般形式差分运算放大电路的反馈回路中引入了运放电阻网络，如此对一般形式差分运算放大电路起到相位补偿作用，由此组成虚线框所示的改进型差分运算放大电路，最终改进型差分运算放大电路的输出信号与被测电流呈正向比例关系。
[0038]图3所示实施例表明，本发明巨磁阻电流传感器的结构为:巨磁阻芯片3放置在磁屏蔽壳I内，载流导体4置于巨磁阻芯片3的下方，偏置线圈绕组2均匀的缠绕在巨磁阻芯片3上，偏置电流源6连接在偏置线圈绕组2两端，为巨磁阻芯片3提供偏置磁场。载流导体4产生的磁场作用于巨磁阻芯片3输出电压信号，输出信号进入改进型差分运算放大电路7进行放大，参考电压产生电路8加到改进型差分运算放大电路7的输入端，如此经过参考电压产生电路8与由偏置线圈绕组产生的偏置磁场产生的偏置电压叠加作用，使得改进型差分运算放大电路7输出一个与被测电流呈正比例关系的电压信号。
[0039]图4所示实施例表明，本发明巨磁阻电流传感器的巨磁阻芯片供电电压转换电路的构成方式是:稳压器VR7805的输入端Vin接巨磁阻电流传感器系统供电直流电电源+15V，0.33uF的滤波电容Cl并联在稳压器VR7805的输入端Vin与稳压器VR7805的接地端之间，稳压器VR7805的输出端Vout输出稳定的+5V电压的直流电，0.1uF的滤波电容C2并联在稳压器VR7805的输出端Vout与稳压器VR7805的接地端之间，由此Vout引脚的输出电压为稳定的5V直流电。因为巨磁阻芯片所需的供电电压为正5V，而巨磁阻电流传感器系统供电电源为正负15V，因此通过稳压器VR7805的作用产生5V的稳定直流电压供给巨磁阻芯片所需的供电电压。
[0040]图5所示的实施例表明，本发明巨磁阻电流传感器的偏置磁场发生电路由芯片LT3092和偏置线圈绕组L构成。图5方框内显示用5V的电压供电的直流电流源的内部结构，其中芯片LT3092利用一个内部电流源和误差放大器以及两个外部电阻器Rset和电阻器Rout来提供输出电流，调节电阻器Rset和电阻器Rout的阻值的大小可以得到一个位于
0.5mA至200mA的恒定输出电流，IN为LT3092芯片的输入端引脚，此引脚为芯片的供电电源输入端。OUT为芯片的输出端，SET为芯片的设置端，SET连接到芯片内部误差放大器的同相输入端，同时可以设置电流的偏置工作点。10 μ A为LT3092芯片内部基准电流源，此基准电流源流过电阻器Rset产生一个电压，该电压施加到另一个电阻器Rout产生输出电流，电阻器Rout连接在芯片OUT输出端和电阻器Rset两端。LT3092输出端连接到偏置线圈绕组L，偏置线圈绕组L另一端接地，偏置线圈绕组L的线圈直径为0.08mm,匝数为50匝，直流电阻为3.487 Ω，通过的直流电流大小为50mA。图中电阻器Rset阻值为20k Ω，电阻器Rout阻值为4k Ω。
[0041]图6所示的实施例表明，本发明巨磁阻电流传感器的参考电压产生电路的构成方式是:运算放大器UlA和电阻Rl和R2和R3组成反相输入比例运算电路，电阻Rl的一端接UlA的正相输入端C，电阻Rl的另一端接地。电阻R2的一端接UlA的反相输入端b，电阻R2的另一端接直流5V的电压源，电阻R3两端分别接到UlA的反相输入端b和输出端a，UlA的供电电压是+15V端h和-15V端d ；U1A的输出端a接到UlB的正相输入端e，UlB的反相输入端f与输出端g连在一起构成电压跟随器。由于电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，对后级电路相当于一个恒压源，其输出电压不受负载阻抗影响，于是得到一个恒定的参考电压Vref。运算放大器UlA和运算放大器UlB的型号均为LF353。图中电阻Rl阻值为8.2k Ω，电阻R2阻值为3.6k Ω，电阻R3阻值为IOk Ω。
[0042]图7所示的实施例表明，一般形式差分运算放大电路的电路的构成是:由一个集成运算放大器与外加电阻网络组成，电阻Rl的一端接电压U1，电阻Rl的另一端接运算放大器的反相输入端，电阻R2的一端接电压U2，电阻R2的另一端接运算放大器的正相输入端，电阻R4两端分别接到运算放大器的反相输入端和输出端，电阻R3的一端接运算放大器的正相输入端，电阻R3的另一端接地。运算放大器型号为LF356。这种结构随着被测信号频率的增大而造成输入输出相位差也增大，影响了被测信号的带宽范围。图中电阻Rl阻值为27k Ω，电阻R2阻值为27k Ω，电阻R3阻值为270k Ω，电阻R4阻值为270k Ω。
[0043]图8所示的实施例表明，本发明巨磁阻电流传感器的改进型差分运算放大电路的构成是:电阻R4的一端接运算放大器Al的反相输入端，电阻R4的另一端接运算放大器A2的输出端，电阻R5的一端接运算放大器A2的反相输入端，电阻R5的另一端接运算放大器Al的输出端Uo即改进型差分运算放大电路的输出端，运算放大器A2的正输入端连接到运算放大器Al的输出端Uo，电阻R6的两端分别接到运算放大器A2的反相输入端和输出端，电阻Rl的一端接电压U1，电阻Rl的另一端接运算放大器Al的反相输入端，电阻R2的一端接电压U2，电阻R2的另一端接运算放大器Al的正相输入端，电阻R3的一端接运算放大器Al的正相输入端，电阻R3的另一端接地，运算放大器Al和运算放大器A2的型号均为LF356。图中电阻Rl阻值为27k Ω，电阻R2阻值为27k Ω，电阻R3阻值为270k Ω，电阻R4阻值为270k Ω，电阻R5阻值为Ik Ω，电阻R6阻值为IOk Ω。
[0044]为了降低相位误差，本发明提出了一种改进型差分运算放大电路。与图7所示的一般形式差分运算放大电路相比，本发明的改进型差分运算放大电路的改进就是电阻R4一端接放大器Al的反相输入端一端接放大器A2的输出端，电阻R5的一端接放大器A2的反相输入端，电阻R5的另一端接放大器Al的输出端Uo,放大器A2的正输入端也连接到放大器Al的输出端Uo，电阻R6的两端分别接到放大器A2的反相输入端和输出端。本发明的改进型差分运算放大电路在一般形式差分运算放大电路的反馈回路中引入了运放电阻网络，可有效补偿相位误差，同时具有较高的共模抑制比。
[0045]图9所示的实施例表明，在有与无偏置磁场两种情况下，当被测电流在某个量程内正行程和反行程过程中电流传感器输出和输入的关系，测试结果表明加上偏置磁场后提高了电流传感器的磁滞误差明显降低了，同时线性度有了一定程度的提高。
[0046]图10所示的实施例表明，在有与无磁屏蔽壳两种情况下，将不同被测电流下传感器输出电压得到的数据通过matlab软件进行曲线拟合得到的图形，测试结果表明相比无磁屏蔽结构，有磁屏蔽壳的本发明巨磁阻电流传感器的灵敏度得到了很大的提高。
[0047]图11所示的实施例显示本发明巨磁阻电流传感器在加磁屏蔽壳时电流传感器相对误差曲线图。用输出电压的理论值减去实际值，再除以实际值便可得到此电流传感器测量范围内的相对误差。基于实验数据可以得出电流范围是-20A?+20A时，相对误差限制到了 0.8%ο
[0048]实施例
[0049]用上述图1、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示实施例的各个部件，装置成具有磁屏蔽壳与偏置线圈的基于巨磁阻效应的电流传感器，其中磁屏蔽壳I的结构形状和偏置线圈绕组2的形状及所在位置均在图1中明示。巨磁阻芯片3即GMR芯片，采用的是美国NVE公司生产的AA002-02 ;U型磁屏蔽壳采用的是坡莫合金材料制作，其电阻率为0.56 μ Ω -m,居里点为400°C，饱和磁感应强度为Bs=0.7T，饱和磁感应强度下的矫顽力He不大于1.6A/m,直流磁性能满足在0.08A/m磁场强度中的磁导率不小于37.5mH/m，厚度是1mm，宽度是7mm,高度是IOmm,长度是13_。
[0050]将上述装置成的巨磁阻电流传感器进行直流电流的测量实验，被测电流从-20A?20A，测量改进型差分运算放大电路的输出电压。将得到的数据输入国际通用的商业软件matlab进行最小二乘曲线拟合，得到图10所示电流传感器输出电压与被测电流的关系。该曲线的拟合方程分别为:存在磁屏蔽壳时如图10所示传感器输出电压与被测电流的关系为:Uout=119.96*1+4.1659，此式表示被测电流与电流传感器输出电压之间的数量关系，可以得到，此电流传感器的灵敏度为119.96，零漂为4.1659mV，输出电压限制在±3V。再进行没有磁屏蔽壳时的测试，同样也用最小二乘曲线拟合得到如图10所示的传感器输出电压与被测电流的关系为:Uout=47.289*1+5.7122，分析得到电流传感器的灵敏度是47.289，零漂是5.7122mV。可以看出加入磁屏蔽壳可以有效增加电流传感器的灵敏度，同时可以减小电流传感器的零漂。用输出电压的理论值减去实际值，再除以实际值便可得到此电流传感器测量范围为-20A?20A时的相对误差,如图11所示的实施例显示本发明巨磁阻电流传感器在加磁屏蔽壳时电流传感器相对误差曲线图，可见在-20A到20A的量程内，相对误差限制在±0.8%内。
[0051]上述实施例中所涉及的器件和零部件均是公知途径获得的，所有部件的安装方法是本【技术领域】的技术人员所掌握的。
【权利要求】
1.巨磁阻效应电流传感器，其特征在于:是一种带磁屏蔽壳与偏置线圈的巨磁阻效应电流传感器，其构成包括U型磁屏蔽壳、巨磁阻芯片、偏置线圈绕组、载流导体、PCB板、偏置电流源和信号处理电路，其中，由U型磁屏蔽壳、巨磁阻芯片、偏置线圈绕组、载流导体和PCB板构成巨磁阻效应电流传感器的探头，上述信号处理电路包括偏置磁场发生电路、巨磁阻芯片供电电压转换电路、参考电压产生电路和改进型差分运算放大电路；PCB板置于U型磁屏蔽壳内，巨磁阻芯片固定放置在PCB板的上方，载流导体置于巨磁阻芯片的下方，偏置线圈绕组均匀的缠绕在巨磁阻芯片上，巨磁阻芯片供电电压转换电路的输出电压连接到巨磁阻芯片的电源引脚，偏置电流源连接到偏置线圈绕组两端，改进型差分运算放大电路两个输入端分别连接在巨磁阻芯片的正输出端和巨磁阻芯片的负输出端，参考电压产生电路的输出电压Vref连接在改进型差分运算放大电路的正输入端，经过改进型差分运算放大电路输入端信号的叠加，最后在改进型差分运算放大电路的输出端输出电流传感器的输出信号，由此构成巨磁阻电流传感器。
2.根据权利要求1所说巨磁阻效应电流传感器，其特征在于:所述U型磁屏蔽壳采用的是坡莫合金材料制作，其电阻率为0.56μ Ω.πι，居里点为400°C，饱和磁感应强度为Bs=0.7T，饱和磁感应强度下的矫顽力He不大于1.6A/m,直流磁性能满足在0.08A/m磁场强度中的磁导率不小于37.5mH/m，厚度是1mm，宽度是7mm，高度是10mm，长度是13mm。
3.根据权利要求1所说巨磁阻效应电流传感器，其特征在于:所述巨磁阻芯片即GMR芯片，采用的是美国NVE公司生产的AA002-02。
4.根据权利要求1所说巨磁阻效应电流传感器，其特征在于:所述偏置磁场发生电路由芯片LT3092和偏置线圈绕组L构成，芯片LT3092利用一个内部电流源和误差放大器以及两个外部电阻器Rset和电阻器Rout来提供输出电流，调节电阻器Rset和电阻器Rout的阻值的大小可以得到一个位于0.5mA至200mA的恒定输出电流，LT3092输出端连接到偏置线圈绕组L，偏置线圈绕组L另一端接地，偏置线圈绕组L的线圈直径为0.08mm,匝数为50匝，直流电阻为3.487 Ω，通过的直流电流大小为50mA，电阻器Rset阻值为20k Ω，电阻器Rout阻值为4k Ω。·
5.根据权利要求1所说巨磁阻效应电流传感器，其特征在于:所述巨磁阻芯片供电电压转换电路的构成方式是:稳压器VR7805的输入端Vin接巨磁阻电流传感器系统供电直流电电源+15V，0.33uF的滤波电容Cl并联在稳压器VR7805的输入端Vin与稳压器VR7805的接地端之间，稳压器VR7805的输出端Vout输出稳定的+5V电压的直流电，0.1uF的滤波电容C2并联在稳压器VR7805的输出端Vout与稳压器VR7805的接地端之间，由此Vout引脚的输出电压为稳定的5V直流电。
6.根据权利要求1所说巨磁阻效应电流传感器，其特征在于:所述参考电压产生电路的构成方式是:运算放大器UlA和电阻Rl和R2和R3组成反相输入比例运算电路，电阻Rl的一端接UlA的正相输入端，电阻Rl的另一端接地，电阻R2的一端接UlA的反相输入端，电阻R2的另一端接直流5V的电压源，电阻R3两端分别接到UlA的反相输入端和输出端，UlA的供电电压是+15V和-15V ；U1A的输出端接到UlB的正相输入端，UlB的反相输入端与输出端连在一起构成电压跟随器，运算放大器UlA和运算放大器UlB的型号均为LF353，上述电阻Rl阻值为8.2kQ，电阻R2阻值为3.6kQ，电阻R3阻值为IOkQ。
7.根据权利要求1所说巨磁阻效应电流传感器，其特征在于:所述改进型差分运算放大电路的构成是:电阻R4的一端接运算放大器Al的反相输入端，电阻R4的另一端接运算放大器A2的输出端，电阻R5的一端接运算放大器A2的反相输入端，电阻R5的另一端接运算放大器Al的输出端，运算放大器A2的正输入端连接到运算放大器Al的输出端，电阻R6的两端分别接到运算放大器A2的反相输入端和输出端，电阻Rl的一端接电压Ul，电阻Rl的另一端接运算放大器Al的反相输入端，电阻R2的一端接电压U2，电阻R2的另一端接运算放大器Al的正相输入端，电阻R3的一端接运算放大器Al的正相输入端，电阻R3的另一端接地，运算放大器Al和运算放大器A2的型号均为LF356，上述电阻Rl阻值为27kQ，电阻R2阻值为27k Ω，电阻R3阻值为270k Ω，电阻R4阻值为270k Ω，电阻R5阻值为Ik Ω，电阻R6阻值为IOkQ 。
【文档编号】G01R19/00GK103575960SQ201310520095
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】杨晓光, 解存福, 李元园 申请人:河北工业大学