[發明專利]一種磁平衡式巨磁阻電流傳感器的設計方法

在審

• 申請號: 201711000496.2
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107607780A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 王蕾
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25
• 代理公司: 杭州奧創知識產權代理有限公司33272
• 代理人: 王佳健

技術領域

本發明屬于電流監測領域，具體涉及一種磁平衡式巨磁阻電流傳感器的設計方法。

背景技術

隨著社會的快速發展，電能對于各行各業起著舉足輕重的作用，從國家的航空航天事業的發展，到個人消費電子的日常使用，這些領域對電力的需求不僅表現在如何安全高效的生產和使用電能，還表現在如何實時監測電能。要實現對電壓、電流、功率等數據的準確監測，就離不開電流傳感器的使用。特別是近年來隨著科技發展，智能傳感系統更是成為全球科技發展和變革中的重大課題。智能傳感系統要求傳感器不僅具備測量功能，更要求傳感系統具有采集、處理、交換信息的能力。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優點：通過軟件技術可實現高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。它是傳感器集成化與微處理器相結合的產物。

目前電流傳感器市場中，霍爾傳感器占據主導地位。基于巨磁阻的電流傳感器還處于研發階段。巨磁阻傳感器相對于霍爾傳感器在原理的不同，使得巨磁阻在靈敏度、耐壓能力、測量精度、溫度穩定性和線性度等方面有很大的優勢。高精度帶來的影響主要是更容易受到外界環境的干擾、對位置更為敏感，使得同一型號的巨磁阻傳感器參數都不一定相同，對屏蔽技術的要求更高，如何解決在批量生產過程中offset和靈敏度不同的問題是研究的重點。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提出一種磁平衡式巨磁阻電流傳感器的設計方法。

本發明采用磁平衡式巨磁阻電流傳感器獲取待測電流數據，該待測電流經過反饋電阻時轉化為反饋電壓信號，CAN總線數據傳輸模塊使用模擬—數字轉化采集反饋電壓信號，采集的反饋電壓信號通過CAN收發器傳給CAN控制器并對該數據進行液晶顯示操作。

本發明的有益效果：本發明方法得到的電流傳感器能夠測量直流到高頻(MHz量級)的電流信號，具有很寬的頻率范圍。其豐富的磁電阻體系可滿足電力系統中各類電流的監測需求。

附圖說明

圖1為本發明設計圖。

圖2為CAN總線第一流程圖。

圖3為CAN總線第二流程圖。

圖4為磁平衡式GMR電流傳感器。

圖5a為惠斯通電橋結構。

圖5b為輸出電壓與外加磁場強度圖。

圖6為AD620儀表放大器結構圖。

具體實施方式

本發明主要由兩部分組成，磁平衡式巨磁阻電流傳感器和CAN總線數據傳輸模塊兩部分，其工作原理如下圖1所示。磁平衡式巨磁阻電流傳感器獲取待測電流數據，該待測電流經過反饋電阻時轉化為反饋電壓信號，CAN總線數據傳輸模塊使用模擬—數字轉化采集反饋電壓信號，采集的反饋電壓信號通過CAN收發器傳給CAN控制器并對該數據進行液晶顯示操作。整個系統實現了電流的非接觸式測量并通過CAN總線實現了數據的傳輸和共享。

CAN總線傳輸模塊使用的是STM32F103VET6，其模塊由晶振電路、電源電路、RF電路等構成，電路結構較為常見，通過配合使用3.5寸TFTLED液晶顯示屏能夠很好的展示CAN總線數據傳輸。

使用CAN總線，大體進行三個操作：初始化、接收、中斷，初始化和數據接收的流程圖如圖2、圖3所示。

磁平衡式GMR電流傳感器主要有以下四部分組成：(1)巨磁阻傳感器及磁芯，將傳感器感應的磁場轉換為電壓信號；(2)放大電路，將微弱的傳感器輸出電壓信號進行放大；(3)功率放大電路，將放大后的電壓信號進一步放大并且提供反饋電流；(4)反饋電路，利用磁平衡原理，被測電流產生的磁場，通過反饋電流進行補償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態。結構圖見圖4。

GMR傳感器中使用的巨磁阻傳感器VA100F3，內部采用了惠斯通電橋結構，如圖5a所示。當向電橋供電后，在敏感方向加入磁場變化會引起內部電阻元件的變化，導致傳感器輸出電壓發生變化，即傳感器的輸出電壓變化量與外加磁場強度成正比。該類傳感芯片具有測量范圍寬、靈敏度高、磁滯小、溫漂低和線性度好的特點。VA100F3有很寬的工作電壓范圍，從DC1V至DC10V均可工作，文中采用LM7805穩壓芯片為傳感器供電。傳感器輸出電壓與外加磁場強度之間的關系可以表示為：V_H＝K_HB。

式中，KH為巨磁阻傳感器的靈敏度，單位為mV/mT；B為磁感應強度，單位為mT。從圖5b中可以得到KH的取值范圍。

在設計中，需要將巨磁阻傳感器放進開有氣隙的磁環中，并用膠槍將傳感器和磁環固定，這樣可以獲得穩定的輸出電壓信號。在設計中還需要計算磁環氣隙大小。