一种基于TMR传感器的电流检测系统及方法与流程

本发明涉及tmr传感器电力检测领域，尤其涉及一种基于tmr传感器的电流检测系统及方法。

背景技术：

1、随着智能电网和泛在电力物联网的部署与推进，电力系统对电流传感技术提出了更高的要求。电力系统需要测量的电流类型非常多，使用现有单一电流传器难以全面满足电力系统电流测量的技术需求。隧道磁电阻(tmr)电流传感器具有高灵敏度、高响应频率、结构简单、价格便宜等众多优点，是电力系统电流测量极具潜力的产品。但是tmr传感器的灵敏度具有较强的温度依赖性，对测量精度影响极大。除此之外，tmr芯片内部一般采用电桥结构，由于自身工艺限制，其内部四个电阻初始值不可能保证完全一致，同时受周围杂散磁场等影响，tmr芯片存在固定输出偏置电压，会对输出结果会造成影响。

2、目前针对tmr传感器的温度补偿方法主要有硬件补偿和软件补偿。其中硬件补偿是通在传感器接口电路中接入带有温度系数的热敏电阻、二极管、电位器等元件，其温度系数与传感器的温度系数相反，补偿时先确定传感器灵敏度、零位与温度关系，根据灵敏度温度特性关系选择不同的电路拓扑结构，最终通过计算匹配实现温度补偿。而软件补偿是通过一些回归算法配合数字传感器微处理器，通过采集传感器的输出信号与温度信号进行数据融合处理完成温度补偿。而tmr传感器的偏置电压补偿方法主要通过硬件补偿实现。在后级仪表放大器的参考电压输入端连接一输出阻抗小、输出电压可变的控制电路，通过对参考电压的调节实现偏置电压的补偿。由上述内容可知，硬件温度补偿需要事先获取tmr传感器的温度特性，且在选择热敏电阻时需要热敏电阻的温度系数与tmr温度系数相匹配，因此只能一个传感器匹配一个特定的热敏电阻，难以工程化和批量化，而软件补偿方法与硬件温度补偿类似，同样需要事先获取传感器的温度特性，难以实现工程化和批量化。至于偏置电压补偿，则需要通过把由可控电阻和运算放大器组成的电压可调的控制电路接入后续放大电路的参考电压输入端实现，需要在零输入下获取偏置量，且工作点固定，即只能在某一个偏置量下获得补偿，当偏置量随温度变化时，无法实现偏置量的补偿。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种基于tmr传感器的电流检测系统及方法，在不需要获取tmr传感器的温度特性和偏置特性的情况下实现tmr传感器的温度补偿和偏置电压补偿，从而消除温度与偏置电压对电流检测精度的影响。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于tmr传感器的电流检测系统，包括：带气隙的环形铁芯、平行放置于所述气隙中的第一tmr传感器和第二tmr传感器、放置于所述环形铁芯之外的恒定磁场中的第三tmr传感器、差分放大系统、以及数据处理系统；

3、其中，所述环形铁芯和所述环形铁芯的气隙都处于第一磁场中；其中，所述第一磁场是穿过所述环形铁芯的中心的待测电流产生的，所述第一tmr传感器的磁场敏感方向与所述第一磁场的方向相同，所述第二tmr传感器的磁场敏感方向与所述第一磁场的方向相反；

4、所述差分放大系统，用于分别对所述第一tmr传感器的输出电压、所述第二tmr传感器的输出电压和所述第三tmr传感器的输出电压进行差分放大，得到所述第一tmr传感器对应的第一电压数据、所述第二tmr传感器对应的第二电压数据和所述第三tmr传感器对应的第三电压数据；

5、所述数据处理系统，用于按照预设的逻辑算法，对所述第一电压数据、所述第二电压数据和所述第三电压数据进行分析处理，并输出能够反映所述待测电流的电流值大小的第四电压数据。

6、实施本发明实施例，在环形铁芯的气隙中平行放置磁场敏感方向相反的第一tmr传感器和第二tmr传感器，以获得与穿过环形铁芯的中心的被测电流所产生的第一磁场方向相反的输出电压、以及与第一磁场方向相同的输出电压，并另外设置一个测量恒定磁场的第三tmr传感器，以获得与恒定磁场相对应的输出电压，然后通过差分放大系统，对三个tmr传感器的输出电压进行差分放大与运算处理，最终输出一个能够反映待测电流的电流值大小的第四电压数据，从而通过三个tmr传感器的相互补正，既能够消除tmr传感器偏置电压的影响，也能够消除tmr传感器灵敏度的温度依赖性，以便基于第四电压数据直接获知待测电流的电流值大小，使得能够在不需要获取tmr传感器的温度特性和偏置特性的情况下实现tmr传感器的温度补偿和偏置电压补偿，提升电流检测精度并降低信号处理电路的复杂程度，以使当前的电流检测系统适用于不同特性的tmr电流传感系统。

7、作为优选方案，所述恒定磁场，是由永磁体产生的；其中，所述永磁体和所述第三tmr传感器都放置在磁屏蔽壳中。

8、实施本发明实施例的优选方案，通过永磁体提供恒定磁场，并将永磁体和第三tmr传感器都放置在磁屏蔽壳中，对恒定磁场、以及恒定磁场中的永磁体和第三tmr传感器进行磁屏蔽，以规避其他杂散磁场的影响，进一步消除tmr传感器偏置电压的影响。

9、作为优选方案，所述差分放大系统，包括：第一差分放大器、第二差分放大器和第三差分放大器；

10、其中，所述第一差分放大器，与所述第一tmr传感器的信号输出端连接，用于对所述第一tmr传感器的输出电压进行增益为第一预设值的差分放大，得到所述第一tmr传感器对应的第一电压数据；

11、所述第二差分放大器，与所述第二tmr传感器的信号输出端连接，用于对所述第二tmr传感器的输出电压进行增益为所述第一预设值的差分放大，得到所述第二tmr传感器对应的第二电压数据；

12、所述第三差分放大器，与所述第三tmr传感器的信号输出端连接，用于对所述第三tmr传感器的输出电压进行增益为第二预设值的差分放大，得到所述第三tmr传感器对应的第三电压数据；

13、其中，所述第一预设值等于所述第二预设值的一半。

14、实施本发明实施例的优选方案，分别利用第一差分放大器和第二差分放大器，对第一tmr传感器的输出电压和第二tmr传感器的输出电压进行增益为第一预设值的差分放大，并利用第三差分放大器，对第三tmr传感器的输出电压进行增益为第一预设值的两倍的差分放大，以提高输出电压信号的强度和清晰度并抑制输出电压信号中的噪声，从而方便后续基于第一差分放大器输出的第一电压数据、第二差分放大器输出的第二电压数据和第三差分放大器输出的第三电压数据的运算结果，精确地推导得到能够反映待测电流的电流值大小的第四电压数据。

15、作为优选方案，所述数据处理系统，包括：第一减法器、加法器、第二减法器和除法器；

16、其中，所述第一减法器，用于将所述第一电压数据与所述第二电压数据进行相减，得到对应的第一运算结果，并将所述第一运算结果传输至所述除法器；

17、所述加法器，用于将所述第一电压数据与所述第二电压数据进行相加，得到对应的第二运算结果，并将所述第二运算结果传输至所述第二减法器；

18、所述第二减法器，用于将所述第三电压数据与所述第二运算结果进行相减，得到对应的第三运算结果，并将所述第三运算结果传输至所述除法器；

19、所述除法器，用于将所述第一运算结果除以所述第三运算结果，得到所述第四电压数据。

20、实施本发明实施例的优选方案，通过第一减法器、加法器、第二减法器和除法器，对第一tmr传感器、第二tmr传感器和第三tmr传感器这三个tmr传感器的输出电压的差分放大结果进行相应的运算处理，从而得到一个与待测电流的电流值大小成正比的电压信号，以便基于第四电压数据直接获知待测电流的电流值大小。

21、为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供了一种基于tmr传感器的电流检测方法，包括：

22、当待测电流穿过带气隙的环形铁芯的中心时，分别利用第一tmr传感器和第二tmr传感器，对所述待测电流产生的第一磁场进行检测，得到所述第一tmr传感器的输出电压和所述第二tmr传感器的输出电压，并利用第三tmr传感器，对恒定磁场进行检测，得到所述第三tmr传感器的输出电压；

23、通过差分放大系统，分别对所述第一tmr传感器的输出电压、所述第二tmr传感器的输出电压和所述第三tmr传感器的输出电压进行差分放大，得到所述第一tmr传感器对应的第一电压数据、所述第二tmr传感器对应的第二电压数据和所述第三tmr传感器对应的第三电压数据；

24、按照预设的逻辑算法，对所述第一电压数据、所述第二电压数据和所述第三电压数据进行分析处理，并输出能够反映所述待测电流的电流值大小的第四电压数据；

25、其中，所述第一tmr传感器和所述第二tmr传感器平行放置于所述环形铁芯的气隙中，所述第一tmr传感器的磁场敏感方向与所述第一磁场的方向相同，所述第二tmr传感器的磁场敏感方向与所述第一磁场的方向相反，所述环形铁芯和所述环形铁芯的气隙都处于第一磁场中，所述第三tmr传感器放置于所述环形铁芯之外的所述恒定磁场中。

26、作为优选方案，所述恒定磁场，是由永磁体产生的；其中，所述永磁体和所述第三tmr传感器都放置在磁屏蔽壳中。

27、作为优选方案，所述通过差分放大系统，分别对所述第一tmr传感器的输出电压、所述第二tmr传感器的输出电压和所述第三tmr传感器的输出电压进行差分放大，得到所述第一tmr传感器对应的第一电压数据、所述第二tmr传感器对应的第二电压数据和所述第三tmr传感器对应的第三电压数据，具体为：

28、利用所述差分放大系统中的第一差分放大器，对所述第一tmr传感器的输出电压进行增益为第一预设值的差分放大，得到所述第一tmr传感器对应的第一电压数据；

29、利用所述差分放大系统中的第二差分放大器，对所述第二tmr传感器的输出电压进行增益为所述第一预设值的差分放大，得到所述第二tmr传感器对应的第二电压数据；

30、利用所述差分放大系统中的第三差分放大器，对所述第三tmr传感器的输出电压进行增益为第二预设值的差分放大，得到所述第三tmr传感器对应的第三电压数据；

31、其中，所述第一预设值等于所述第二预设值的一半，所述第一差分放大器与所述第一tmr传感器的信号输出端连接，所述第二差分放大器与所述第二tmr传感器的信号输出端连接，所述第三差分放大器与所述第三tmr传感器的信号输出端连接。

32、作为优选方案，所述按照预设的逻辑算法，对所述第一电压数据、所述第二电压数据和所述第三电压数据进行分析处理，并输出能够反映所述待测电流的电流值大小的第四电压数据，具体为：

33、将所述第一电压数据与所述第二电压数据进行相减，得到对应的第一运算结果，并将所述第一电压数据与所述第二电压数据进行相加，得到对应的第二运算结果；

34、将所述第三电压数据与所述第二运算结果进行相减，得到对应的第三运算结果，并将所述第一运算结果除以所述第三运算结果，得到所述第四电压数据。