基于三轴隧道磁阻阵列的电流传感器及其测量方法与流程

本发明涉及电流测量技术领域，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。

背景技术：

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。

本发明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。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明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。

本发明采用的技术方案：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：

本发明的有益效果：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为本发明的基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法原理图；

图2为本发明的三轴隧道磁阻电流传感器系统框图；

图3为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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发明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为本发明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发明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

本发明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°布置；所述的磁场检测芯片连接处理电路。本实施例中，处理电路包括信号调理电路和fpga信号处理器，信号调理电路包括低噪声的仪表放大器，将三轴隧道磁阻元件检测到的磁场信号进行线性放大，并将放大后的信号输出到所述fpga信号处理器；fpga信号处理器包括信号采集模块和信号处理模块，所述信号采集模块用于采集所述四个三轴隧道磁阻磁传感器芯片检测到的磁场信号，所述信号调理模块将处理后的信号输出至matlab并显示；安装底座采用pcb板，安装底座呈环形开口结构。

实施时，安装座采用开口式pcb印刷板设计，如图3所示，根据450a通流铜芯电缆的载流量留出开口距离l，已知载流导线截面积为130mm²，则开口距离l＝2√(130/π)＝12.87mm，即允许通过导线的最大外径为12.87mm，最后由altiumdesigner软件得到r＝12mm可以满足体积最小方案。

实施时，所述四个三轴磁场检测芯片选用mdt公司的tmr2301三轴隧道磁阻磁传感器芯片，可在极宽动态范围内实现x、y、z三个方向上线性感应。在所述的安装底座设计中，1.6mm为tmr2301贴近圆孔的极限距离，采取4个tmr2301元件间隔90°均匀摆放在半径为13.6mm的圆周上。

实施时，所述信号调理电路中的仪表放大器ad620将磁场信号进行线性放大，并将24路差分电压信号转换为12路单端电压信号，方便于信号采集，tmr2301、ad620的引脚图如图5所示。

实施时，所述fpga信号处理器中的信号采集模块采用多通道、高精度同步采集芯片ad7606，实现对12路磁场电压信号的同步采集。信号处理模块采用强大并行控制能力的现场可编程门阵列proasci3，proasci3与ad7606通过spi串行通讯接口方式进行连接。如图6所示，proasci3控制2个ad7606芯片进行12路单端电压信号同步采集，然后proasci3通过usb2.0数据线将采集到的磁场电压信号传送至计算机的matlab进行数据处理。

实施时，所述三轴隧道磁阻电流传感器采用±12v，+5v，+1.2v电源供电。

实施时，所述pcb印刷板整体呈圆环形、开口式。

实施时，所述三轴隧道磁阻电流传感器的电路连接结构包括：

(1)电源模块中，±18v的电源输入分别接于lm7812的引脚1和lm7912的引脚1，使用lm7812与lm7912配合得到±12v电压输出，为三轴隧道磁阻电流传感器中的仪表放大器ad620提供电源，+u0端级联接入5v输出稳压芯片lm7805，得到5v电压，为fpga信号处理器提供电源；最后+5v端级联接入1.2v输出稳压芯片ams1117-1.2，得到1.2v电压，为tmr2301芯片提供电源。

lm7812的引脚1与引脚2之间接入100μf的电容c1，lm7812的引脚2与引脚3之间接入100μf的电容c3，lm7812的引脚2接地gnd，lm7912的引脚1与引脚2之间接入100μf的电容c2，lm7912的引脚2与引脚3之间接入100μf的电容c4，lm7912的引脚2接地gnd，lm7805的引脚1接lm7812的引脚3，lm7805的引脚2接地gnd，lm7805的引脚3接ams1117的引脚in，lm7805的引脚1与lm7805的引脚2之间并联100μf电容c5和0.1μf电容c6，lm7805的引脚2与lm7805的引脚3之间并联470μf电容c8和0.1μf电容c7，ams1117的引脚in与引脚gnd之间接入10μf的电容c9，引脚tab与引脚out相连，引脚out与引脚gnd之间接入10μf的电容c10，引脚gnd接地。

(2)四个三轴隧道磁阻元件tmr2301，分别标记p1-p4，用于检测被测导线在x,y,z三个方向上产生的磁场并以模拟电压输出。十二个ad620分别标记01x、01y、01z—04x、04y、04z，用于将tmr2301输出的24路差分电压信号转换为12路单端电压信号的同时进行线性放大，便于后续信号采集；

三轴隧道磁阻元件p1的引脚2接地，引脚4和5分别接ad6201y的引脚2和3，引脚7和8分别接ad6201z的引脚3和2，引脚11和12分别接ad6201x的引脚3和2，引脚9接+1.2v电源。

三轴隧道磁阻元件p2的引脚2接地，引脚4和5分别接ad6202y的引脚2和3，引脚7和8分别接ad6202z的引脚3和2，引脚11和12分别接ad6202x的引脚3和2，引脚9接+1.2v电源。

三轴隧道磁阻元件p3的引脚2接地，引脚4和5分别接ad6203y的引脚2和3，引脚7和8分别接ad6203z的引脚3和2，引脚11和12分别接ad6203x的引脚3和2，引脚9接+1.2v电源。

三轴隧道磁阻元件p4的引脚2接地，引脚4和5分别接ad6204y的引脚2和3，引脚7和8分别接ad6204z的引脚3和2，引脚11和12分别接ad6204x的引脚3和2，引脚9接+1.2v电源。

(3)所述信号调理电路包括十二个ad620仪表放大器，用于将tmr2301输出的24路差分电压信号转换为12路单端电压信号的同时进行线性放大；

ad6201x的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r1x，此时ad6201x的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚9vo1x相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6201y的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r1y，此时ad6201y的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚11vo1y相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6201z的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r1z，此时ad6201z的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚13vo1z相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6202x的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r2x，此时ad6202x的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚15vo2x相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6202y的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r2y，此时ad6202y的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚2vo2y相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6202z的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r2z，此时ad6202z的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚14vo2z相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6203x的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r3x，此时ad6203x的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚4vo3x相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6203y的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r3y，此时ad6203y的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚10vo3y相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6203z的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r3z，此时ad6203z的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚6vo3z相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6204x的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r4x，此时ad6204x的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚12vo4x相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6204y的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r4y，此时ad6204y的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚16vo4y相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

ad6204z的引脚1和8之间接入阻值为470的电阻r4z，此时ad6204z的放大倍数g为106.106倍。引脚6与pin的引脚8vo4z相接，引脚7和4接lm7812的引脚3和lm7912的引脚3，引脚5接地。

(4)通过pin传输模块将4个tmr2301元件输出的磁场模拟电压值传输到fpga信号处理器中进行信号处理；

pin的引脚1接入ams1117的引脚3，pin的引脚3接地，pin的引脚5接入lm7812的引脚3，pin的引脚7接入lm7912的引脚3。pin的引脚2、引脚4、引脚6、引脚8、引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14、引脚15、引脚16将待测导线电流产生的磁场信号输出到fpga信号处理器中进行信号处理；

(5)用matlab获取fpga信号处理器处理后的信号，得到待测电流测量值。

采用上述三轴隧道磁阻电流传感器的优势是：

1、该电流传感器提供了一种小型化、交直流同测、宽频带、大动态范围及高精度的电流测量方案，同时只需更换磁传感器元件就能满足不同电流测量场合的精度和线性范围需求；

2、安装方便，可以挂接在电缆上，无需断开电缆便能实现对待测电流的测量，克服了闭口式电流传感器必须离线测量的弊端；

3、相比于基于安培环路定律的电流测量方法，该电流传感器实现了导线偏心、倾斜时的电流准确测量，导线处在圆孔内的任何位置都可获得较高的精度；

4、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。

下面通过交直流测量实施例来说明本发明的电流测量方法：

实施例：本发明的电流测量方法采用图1—图9结构所示的三轴隧道磁阻电流传感器。

1)直流测量实验：直流实验系统示意图如图10所示。本实验所用的电流源为ameteksorensen公司的直流电源dlm8-450e-m1,最大输出电流为450a。tmr2301磁场传感器的输出数据由高速同步采样芯片ad7606采集后送至fpga存储，然后发送至matlab中处理数据。同时采用ca公司的交直流电流钳pac12作为参考电流值，pac12电流钳的电流测量误差小于1.5％。直流测量实验中所使用的示波器为安捷伦公司的mso7104b。

设置直流电源输出为200a，待测导线倾斜角α≈50°，用pac12电流钳测量直流电源的输出电流，档位设置为1mv/a，pac12电流钳输出曲线与tmr2301检测到某一路磁场电压信号如图11所示。使用安培环路定律和本发明的基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法计算待测导线电流值，电流计算结果如图12所示。表1列出了上述两种算法的电流相对误差对比。

表1算法相对误差总结表

由上表可看出：安培环路定律计算的电流相对误差比较大，而200a时1.635％的实验误差值证实三轴隧道磁阻阵列电流算法在直流测量时的实用性。接着探究三轴隧道磁阻电流传感器电流测量精度与导线倾斜角α、β的关系，进行了直流100a、200a下的测量实验验证。电流相对误差变化情况如表2至表4所示。

表2电流相对误差随倾斜角α的变化情况

表3电流相对误差随倾斜角α的变化情况

表4电流相对误差随倾斜角α的变化情况

由表2至表4的电流测量误差结果可知，电流值为100a时的平均相对误差大于电流值为200a时的平均相对误差。原因是在直流实验验证时，电流相对误差中固有误差的影响不可忽略，造成电流变小时，电流相对误差有增大的趋势。当电流为100a时，在不同倾斜角β下电流相对误差随倾斜角α变化的平均值分别为2.324％、2.310％和2.237％；当电流为200a时，在不同倾斜角β下电流相对误差随倾斜角α变化的平均值分别为1.789％、1.655％和1.589％。所以本发明设计的三轴隧道磁阻电流传感器在直流测量时使用基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法可以克服倾斜角α变化对电流测量误差的影响。

表5电流相对误差随倾斜角β的变化情况

表6电流相对误差随倾斜角β的变化情况

从表5和表6的结果可以得出，在不同倾斜角下测量导线电流的最大相对误差分别为3.343％，3.139％。当电流为100a时，不同倾斜角α下电流相对误差随倾斜角β变化的平均值分别为2.242％和2.331％；当电流为200a时，不同倾斜角α下电流相对误差随倾斜角β变化的平均值分别为1.642％和1.559％。所以基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法在直流测量中可以克服倾斜角β变化对电流测量误差的影响。

2)交流测量实验：交流实验系统示意图如图13所示。交流测量实验所用电源为slq-500大电流发生器,交流输出最大有效值为500a。tmr2301磁场传感器的磁场电压输出由同步采样芯片ad7606采集后送至matlab中处理数据。同时采用交流钳c160的测量值作为参考电流值，交流钳c160的电流测量误差小于1％。交流测量实验中使用的示波器为安捷伦公司的mso7104b。

设置交流电源输出有效值为100a、待测导线的倾斜角α≈50°，交流钳c160测量档位设置为1mv/a,交流钳输出与采集到的一路磁场电压信号如图14所示。接着使用安培环路定律和本发明的基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法计算待测导线电流值，电流计算结果如图15所示。表7列出了上述两种算法的电流相对误差对比。

表7算法相对误差总结

由上表可看出：安培环路定律计算的电流相对误差比较大，100a时2.165％的实验误差值证实三轴隧道磁阻阵列电流算法在交流测量时的实用性。接着研究三轴隧道磁阻电流传感器在交流下的测量误差与导线倾斜角α、β的关系，进行了交流有效值100a、200a下的测量实验验证，电流有效值相对误差变化情况如表8至表10所示。

表8有效值相对误差随倾斜角α的变化情况

表9有效值相对误差随倾斜角α的变化情况

表10有效值相对误差随倾斜角α的变化情况

当电流为100a时，在不同倾斜角β下电流有效值相对误差随倾斜角α变化的平均值分别为2.449％、2.292％和2.374％；当电流为200a时，在不同倾斜角β下电流有效值相对误差随倾斜角α变化的平均值分别为1.662％、1.652％和1.767％。所以设计的三轴隧道磁阻电流传感器测量工频交流时使用基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法可以克服倾斜角α对电流测量的影响。

表11有效值相对误差随倾斜角β的变化情况

表12有效值相对误差随倾斜角β的变化情况

从表11和表12的结果可以得出，在不同倾斜角下电流测量的最大相对误差分别为4.040％，3.594％。当电流为100a时，在不同倾斜角α下电流有效值相对误差随倾斜角β变化的平均值分别为2.546％和2.493％；当电流为200a时，在不同倾斜角α下电流有效值相对误差随倾斜角β变化的平均值分别为1.736％和1.688％，所以三轴隧道磁阻电流传感器测量交流时使用基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法可以克服倾斜角β对电流测量的影响。

综上所述，相比于传统的基于安培环路定律的测量方法，本发明提出的基于三轴隧道磁阻阵列的电流测量方法可以克服导线偏心、倾斜位置变化引入的误差，实现对导线偏心、倾斜时电流的准确测量。