CN102043083B - 一种巨磁阻阵列电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种巨磁阻阵列智能电流传感器，由巨磁阻芯片子板阵列(1)、环形PCB母板(2)、8通道放大器电路(3)、8通道采样保持及A/D转换电路(4)、FPGA信号处理电路(5)构成；巨磁阻芯片子板阵列(1)由巨磁阻芯片AA005-02和两个条形的铝镍钴永磁体构成，所述的永磁体置于巨磁阻芯片AA005-02的两端，永磁体的充磁方向与巨磁阻芯片AA005-02的磁敏感方向一致；8个巨磁阻芯片子板阵列安装在环形PCB母板(2)上，所述的巨磁阻芯片输出的电压信号输入到8通道电压放大器电路(3)中，经放大后，进入8通道采样保持及A/D转换电路(4)，将模拟的电压信号转变成数字信号，再经过FPGA处理电路(5)对8路数字信号进行处理。

Description

一种巨磁阻阵列电流传感器

技术领域

本发明涉及一种智能传感器，特别涉及巨磁阻阵列测电流传感器。

背景技术

为提高能源的利用效率适用可再生能源的接入，目前的电网正逐渐向以智能控制、管理和分析为特征的灵活应变的智能电网方向发展，这就需要各种传感器对电网线路的电流、电压、温度及电力设备的运行情况等参数进行实时的监控。

其中，电流的实时精确检测是众多电气参数测量中的重要任务之一。在电力系统发展的100多年里，传统的电流互感器在电流检测和继电保护方面起到了举足轻重的作用，但是随着电网规模的不断扩大、电压等级的不断升高和可再生新能源电网的接入以及数字化变电站的建设，传统的电流互感器越来越暴露出众多的不足，比如：1.体积越来越大，浪费过多的电工材料，增加了成本且不易安装；2.存在二次绕组开路高电压的危险；3.缺乏数字化接口和智能化分析功能，难以适应智能电网的发展需要。

为了弥补传统电流互感器的不足，近十年来，国内外的科研人员对各种新型的电子式电流互感器进行了研究。研究的热点主要集中在罗氏线圈电流互感器和块状光学电流互感器以及纯光纤电流互感器。罗氏线圈测量电流的方法目前是比较成熟的技术，精度可以达到0.2级以上，而且已经开始大规模的生产和应用。但是由于罗氏线圈测量电流是根据法拉第电磁感应定律，因此只能用于交流和脉冲电流的测量，对于直流电流的测量是无能为力的。纯光学电流互感器是最有吸引力的一种电流互感器，其原理是根据法拉第旋光效应。从结构上分，光学电流互感器可分为块状和纯光纤电流互感器两种。纯光纤电流互感器优点是结构简单，一根光纤同时实现传感和通信两种功能，但是由于受温度和机械形变的影响极大，其稳定性和精度还难以保证；块状光学电流互感器是为了弥补纯光纤电流互感器的不足而提出的，相对光纤，块状玻璃的温度系数小，机械性能强，测量效果较好，但是块状玻璃不易工。其实，无论是块状还是纯光纤电流互感器，成本高是共同的缺点。因为需要稳定的光源，需要光信号处理设备，这些装置的成本是大部分企业难以接受的。

磁敏器件是对磁场强度比较敏感的元件，目前主要分为霍尔、各向异性磁电阻、巨磁阻效应等几种类型。利用磁阻器件对磁场的测量实现电流的间接测量弥补了足罗氏线圈不能测量直流的缺陷；同时磁敏器件的大批量生产使得其成本低廉，相对稳定的性能也使其得到广泛的应用。

在磁敏器件阵列测电流的传感器中，大都采用磁阻和霍尔元件。由于一般的磁阻和霍尔元件的线性区间小，适合中小电流的测量。巨磁阻是近几年来材料领域的研究热点，和其他的磁敏器件相比，巨磁阻的灵敏度更高，温度稳定性好，线性区间宽。目前商用的模拟巨磁阻磁力芯片只有美国NVE公司生产的AA系列比较稳定，但是无论磁场的方向是正是负，巨磁阻的输出都是单极的。

发明内容

本发明的目的是克服现有罗氏线圈电子式电流互感器的缺点，提出一种利用巨磁阻阵列测量电流的传感器，以实现交直流同测功能，并能完成信息的数字化传输、存储。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明通过在巨磁阻芯片的两端安装永磁体的方法，提供一个偏置磁场，当巨磁阻芯片上电的时候偏置磁场输出偏置电压，当被测电流产生的磁场叠加在偏置磁场上的时候，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，经后续的信号处理电路将偏置电压减除，便得到一个双极输出的电压，也即输出有正有负的电压。因为巨磁阻芯片测量的是磁场，无论是直流电流还是交流电流都会产生磁场，所以通过测量磁场就可以既测量直流又可以测量交流了，也就是具备了交直流同测的功能。

本发明包括巨磁阻芯片子板阵列、PCB母板、8通道电压放大器电路、8通道采样保持及A/D转换电路、FPGA处理电路。巨磁阻芯片子板阵列由8个巨磁阻子板构成。每个子板由一片巨磁阻芯片AA005-02和两个条形的铝镍钴永磁体构成，两个所述的永磁体分别置于巨磁阻芯片AA005-02的两端，永磁体的充磁方向与巨磁阻芯片AA005-02的磁敏感方向一致。8个巨磁阻芯片子板阵列以相同的半径和等角度均匀安装在环形的PCB母板上。巨磁阻芯片输出的电压信号输入到8通道电压放大器电路中，经过放大后，进入8通道采样保持及A/D转换电路，模拟的电压信号转变成数字信号，再经过FPGA处理电路对8路数字信号进行并行式处理。

本发明巨磁阻芯片子板由NVE公司的AA005-02和两块条形的铸造铝镍钴LNGT18永磁体构成，充磁方向沿着厚度方向，即充磁方向垂直于长和宽所构成的平面。为了给巨磁阻芯片提供偏置磁场，两块条形永磁体按照相同的磁极方向置于芯片的两端，具体的距离可根据需要提供的偏置场的大小调整。

本发明的环形PCB母板用于安装和固定巨磁阻芯片子板，被测电流母线由内圆穿过。

本发明的电压放大器电路，由两个四通道轨至轨放大器LTC6085构成。用于接收巨磁阻芯片子板阵列的电压输出信号。

本发明的采样保持及A/D转换电路，由一片MAX155构成，用于同步采集前部放大器电路的电压输出信号，并以并行输出方式将转换后的数字信号送给后部的FPGA处理器。

本发明的FPGA信号处理电路，由一片Cyclone III/EP3C10E144构成。

巨磁阻芯片子板阵列输出的电压信号输入到电压放大器电路中，经过发大后的电压信号进入采样保持及A/D转换电路，由模拟的电压信号转变成数字信号，然后各路数字信号并行地进入FPGA信号处理电路，最终按照基于空间的离散傅立叶变换完成母线电流的测量计算。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明提出的加偏置场的巨磁阻芯片子板实现了输出信号的双极输出，也就是输出信号有正，有负，使得正反磁场的测量得以实现；

2)本发明提出的巨磁阻芯片阵列实现了交直流同测的功能，并且配合一定的算法减弱了空间平行通流导线产生的磁场干扰；

3)本发明中采用了FPGA作为信号处理单元，对多路传感信号实现了并行的处理方式，完全突破了传统的MCU、DSP等的指令式处理，提高了检测的实时性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1是巨磁阻阵列电流传感器的结构原理框图；

图2两块条形永磁体之间距离为6mm时候的磁力线分布图；

图3永磁体纵向对称轴线上各点的磁场强度幅度值和各个分量值图；

图4巨磁阻芯片子板结构示意图；

图5是巨磁阻芯片子板阵列在环形PCB母板上的装配图；

图6是8个巨磁阻芯片子板与电压放大器LTC6085的连接图；

图7是电压放大器LTC6085与采样保持及A/D转换器MAX155的连接图；

图8是采样保持及A/D转换器MAX155与FPGA处理器EP3C10的连接图。

具体实施方式

图1为本发明的原理结构框图。如图1所示，本发明包括：巨磁阻芯片子板阵列1，环形的PCB母板2，8通道电压放大器电路3，8通道采样保持及A/D转换电路4，FPGA处理电路5。巨磁阻芯片子板阵列1由8个巨磁阻子板构成。每个子板由一片巨磁阻芯片AA005-02和两个条形的铝镍钴永磁体构成，两个条形永磁体分别置于巨磁阻芯片AA005-02的两端，永磁体的充磁方向与巨磁阻芯片AA005-02的磁敏感方向一致。8个巨磁阻子板以以相同的半径和相等角度均匀地分布在环形的PCB母板2上，其输出的电压信号经过8通道电压放大器电路3进行放大后，进入8通道采样保持及A/D转换电路4实现模拟信号和数字信号的转换。转换后的数字信号进入FPGA处理电路5完成母线电流的测量计算。

所述的巨磁阻芯片子板阵列1是由8个巨磁阻芯片子板构成，8个巨磁阻芯片子板之间以相同的半径和角度焊接在环形的PCB母板2上，组成该巨磁阻阵列智能电流传感器的传感部分，如图5所示。

本实施例的环形母板2由一个内半径为r＝9cm，外半径为D＝11cm的PCB板构成。

所述的8通道电压放大器电路3由两个放大器LTC6085构成，两个放大器是并联方式，除了电源和地端相互并联之外，其他的引脚端都不相连。如图6所示，8个巨磁阻芯片的V+端统一接+5V电压，V-端统一接地。第1号巨磁阻芯片的Out+端接第一放大器LTC6085的+INA端，第2号巨磁阻芯片的Out+端接第一放大器LTC6085的+INB端，第3号巨磁阻芯片的Out+端接第一放大器LTC6085的+INC端，第4号巨磁阻芯片的Out+端接第一放大器LTC6085的+IND端。第1号巨磁阻芯片的Out-端接第一放大器LTC6085的-INA端，第2号巨磁阻芯片的Out-端接第一放大器LTC6085的-INB端，第3号巨磁阻芯片的Out-端接第一放大器LTC6085的-INC端，第4号巨磁阻芯片的Out-端接第一放大器LTC6085的-IND端。第5号巨磁阻芯片的Out+端接第二放大器LTC6085的+INA端，第6号巨磁阻芯片的Out+端接第二放大器LTC6085的+INB端，第7号巨磁阻芯片的Out+端接第二放大器LTC6085的+INC端，第8号巨磁阻芯片的Out+端接第二放大器LTC6085的+IND端；第5号巨磁阻芯片的Out-端接第二放大器LTC6085的-INA端，第6号巨磁阻芯片的Out-端接第二放大器LTC6085的-INB端，第7号巨磁阻芯片的Out-端接第二放大器LTC6085的-INC，第8号巨磁阻芯片的Out-端接第二放大器LTC6085的-IND端。

所述的8通道采样保持及A/D转换电路4由芯片MAX155构成。两个LTC6085放大器输出的模拟信号经过芯片MAX155采样和量化变成数字信号。如图7所示，第一、第二两个放大器LTC6085的V+端接+5V电压，V-端接-5V电压。第一放大器LTC6085的OUTA端连接到MAX155的AINO端、第一放大器LTC6085的OUTB端连接到MAX155的AIN1端、第一放大器LTC6085的OUTC端连接到MAX155的AIN2端、第一放大器LTC6085的OUTD端连接到MAX155的AIN3端；第二放大器LTC6085的OUTA端连接到MAX155的AIN4端、第二放大器LTC6085的OUTB端连接到MAX155的AIN5端、第二放大器LTC6085的OUTC端连接到MAX155的AIN6端、第二放大器LTC6085的OUTD端连接到MAX155的AIN7端。

所述的FPGA处理电路5由cyclone III系列的EP3C10E144构成，接收来自采样保持及A/D转换电路4的数字信号。MAX155的D0/A0端连接到FPGA的IO，DIFFIO_B9p端、MAX155的D1/A1端连接到FPGA的IO，DIFFIO_B9n端、MAX155的D2/A2端连接到FPGA的IO，DIFFIO_B10p端、MAX155的D3/PD端连接到FPGA的IO，DIFFIO_B11p端、MAX155的D4/INH端连接到FPGA的IO，DIFFIO_B11n端、MAX155的D5/BIP端连接到FPGA的IO，DIFFIO_B12p端、MAX155的D6/DIFF端连接到FPGA的IO，DIFFIO_B12n端、MAX155的D7/ALL端连接到IO，DIFFIO_B15p端。MAX155的VDD接+5V，Vss接-5V，DGND和AGND接地，REFIN和REFOUT端连接在一起并通过电容C接地。如图8所示。

巨磁阻芯片子板阵列采用的是板上传感技术，由8个巨磁阻芯片子板以45度等角度分布在环形的PCB母板。本发明工作时，被测导线从环形PCB母板的内圆几何中心穿过。由于AA005-02是一种单极输出的磁场强度测量芯片(即：在交变磁场的作用下，其输出只朝着一个方向变化)，当磁场是交变磁场的时候，AA005-02的输出电压却只能是单极输出的电压。因此本发明在巨磁阻芯片的两端放置了条形永磁体，为其提供一个恒定的偏置磁场，充磁方向与巨磁阻芯片的敏感轴方向平行。当被测电流产生的磁场叠加在巨磁阻芯片AA005-02上的时候，其产生的电压就会叠加在最初的偏置电压上。此时巨磁阻芯片的输出变化电压就是在偏置电压基础上的变化。在后面FPGA处理电路5中将该偏置电压减去，便得到巨磁阻芯片的双极输出特性。本发明中的条形永磁体的几何尺寸为：长：6mm，宽：1.5mm，厚：1mm，冲磁方向沿着厚度方向。两磁体的间距至少大于巨磁阻芯片的长度，具体数值可按照需要的偏置场强度调节。

环形的PCB母板2的内半径为r＝9cm，外半径为D＝11cm，安装点与母板中心点的距离为L＝10cm。环形PCB母板2上共有8个子板安装点，依次等角度分布的母板的环面上。

8通道电压放大器电路3由两个四通道轨至轨放大器LTC6085构成，巨磁阻芯片子板阵列的8个输出全部以差分方式连接至LTC6085。因为信号在PCB板上从传感部件到信号处理部件的传递中，不可避免地在导线上产生寄生电容和电感，这就会在放大器的输入端产生附加的电压——共模电压。为了最大程度地降低共模电压的干扰，必须全部接成差模输入方式。

放大器的输出直接MAX1554，MAX155是一款集同步采样保持与A/D转换功能于一体的8通道8位模数转换器，其转换位数可以根据测量精度要求自由选择。同步采样保证了8个通道模拟电压的相位同步，是FPGA处理电路进行测量算法优化的基础。MAX155的输出是并行的8位数字信号，因此可以直接与FPGA的任意8个I/O口进行连接，需要注意的是两者的物理电气信号是否匹配，若不匹配则需要电平转换。

FPGA处理电路采用ALTERA公司的Cyclone系列芯片，主要完成信号的处理。按照功能可分为四部分：通道分配，A/D转换数据的预处理(消除偏置，温度和迟滞补偿等)，测量算法优化(空间傅立叶变化)以及输出控制模块(数字和模拟输出)。

Claims (5)

1.一种巨磁阻阵列电流传感器，其特征在于：所述的传感器由巨磁阻芯片子板阵列(1)、环形PCB母板(2)、8通道放大器电路(3)、8通道采样保持及A/D转换电路(4)、FPGA信号处理电路(5)构成；巨磁阻芯片子板阵列(1)采用板上传感技术，由8个巨磁阻子板构成，每个巨磁阻子板由一片巨磁阻芯片AA005-02和两个条形的铝镍钴永磁体构成，两个条形永磁体分别置于巨磁阻芯片AA005-02的两端，永磁体充磁方向与巨磁阻芯片AA005-02的磁敏感方向一致；巨磁阻芯片子板阵列以45度等角度安装在环形PCB母板(2)上，被测导线从环形PCB母板的内圆几何中心穿过；所述的巨磁阻芯片子板阵列(1)输出的电压信号输入到8通道电压放大器电路(3)中，经放大后，进入8通道采样保持及A/D转换电路(4)，将模拟的电压信号转变成数字信号，再经过FPGA处理电路(5)对8路数字信号进行处理。

2.如权利要求1所述的巨磁阻阵列电流传感器，其特征在于，所述的8通道放大器电路(3)由两片LTC6085构成；巨磁阻芯片子板阵列(1)中的第一个巨磁阻芯片的Out+端连接到第一片LTC6085的+INA端；Out-端连接到第一片LTC6085的-INA端；第二个巨磁阻芯片的Out+端连接到第一片LTC6085的+INB端；Out-端连接到第一片LTC6085的-INB端；第三个巨磁阻芯片的Out+端连接到第一片LTC6085的+INC端；Out-端连接到第一片LTC6085的-INC端；第四个巨磁阻芯片的Out+端连接到第一片LTC6085的+IND端；Out-端连接到第一片LTC6085的-IND端；第五个巨磁阻芯片的Out+端连接到第二片LTC6085的+INA端；Out-端连接到第二片LTC6085的-INA端；第六个巨磁阻芯片的Out+端连接到第二片LTC6085的+INB端；Out-端连接到第二片LTC6085的-INB端；第七个巨磁阻芯片的Out+端连接到第二片LTC6085的+INC端；Out-端连接到第二片LTC6085的-INC端；第八个巨磁阻芯片的Out+端连接到第二片LTC6085的+IND端；Out-端连接到第二片LTC6085的-IND端。

3.如权利要求2所述的巨磁阻阵列电流传感器，其特征在于，所述的8通道采样保持及A/D转换电路(4)由一片MAX155构成；第一片放大器芯片LTC6085的OUTA端接在MAX155的AIN0端，OUTB端接在MAX155的AIN1端，OUTC端接在MAX155的AIN2端，OUTD端接在MAX155的AIN3端；第二片放大器芯片LTC6085的OUTA端接在MAX155的AIN4端，OUTB端接在MAX155的AIN5端，OUTC端接在MAX155的AIN6端，OUTD端接在MAX155的AIN7端。

4.如权利要求3所述的巨磁阻阵列电流传感器，其特征在于，所述的FPGA信号处理电路(5)由一片Cyclone III/EP3C10E144构成，用来接受MAX155输出的数字信号；MAX155的D0/A0连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B9p，D1/A1连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B9n，D2/A2连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B10p，D3/A3连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B11p，D4/INH连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B11n，D5/BIP连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B12p，D6/DIFF连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B12n，D7/ALL连接到EP3C10E144的IO:DIFFIO_B15p。

5.一种采用权利要求1所述的巨磁阻阵列电流传感器测量电流的方法，其特征在于，由所述的永磁体提供一个偏置磁场，当巨磁阻芯片子板阵列(1)上电时，所述的偏置磁场输出偏置电压；当被测的母线电流产生的磁场叠加在偏置磁场上时，巨磁阻芯片子板阵列(1)的输出电压是在原偏置电压的基础上叠加了一个由被测母线电流产生的磁场而产生的电压，经所述的FPGA信号处理电路将偏置电压减除，便得到一个双极输出的电压，此电压为由被测母线电流产生的磁场所产生的。

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