CN110031668A - 基于tmr隧道磁阻的电流测量装置 - Google Patents

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张又文
王邦彦
魏邦达
杨帆
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Abstract

本发明提供的一种基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，包括TMR芯片阵列、信号处理电路、微控制器以及显示器；所述TMR芯片阵列设置于被测导体所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控制器的显示输出端与显示器的输入端连接，通过上述结构，能够实现对配电网中的导体电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。

Description

基于TMR隧道磁阻的电流测量装置
技术领域
本发明涉及一种电流测量装置，尤其涉及一种基于TMR隧道磁阻的电流测量装置。
背景技术
随着智能电网建设的不断推进，电网对于各种能够实现检测与控制电气设备产生了极大的需求，而实现智能电网实时监测和控制的前提条件便是要有先进的传感和测量技术作为支撑。
现有技术中，对于输电线路等导体的电流测量均采用接触式或者非接触式的测量方式，其中，接触式存在需要与被测导体进行电气连接，这种方式不仅破坏了原导体的线路结构，使得输电线路存在不确定的运行安全风险，更为重要是：在接触式测量的过程中对于工作人员的人身造成极大的安全隐患；而现有的非接触式测量设备中，存在干扰大，结果不准确的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，能够实现对配电网中的导体电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。
本发明提供的一种基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，包括TMR芯片阵列、信号处理电路、微控制器以及显示器；
所述TMR芯片阵列设置于被测导体所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控制器的显示输出端与显示器的输入端连接。
进一步，所述TMR芯片阵列包括4个TMR芯片：TMR芯片Ⅰ、TMR芯片Ⅱ、TMR芯片Ⅲ以及TMR芯片Ⅳ，4个TMR芯片处于同一平面内且呈矩形阵列布置，4个TMR芯片分别位于4个矩形的顶点。
进一步，所述被测导体到TMR芯片Ⅰ的连线与被测导体到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度；被测导体到TMR芯片Ⅱ的连线与被测导体到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度。
进一步，所述微控制器根据如下方法测量电流：
由TMR芯片阵列测量被测导体的通电后的磁场强度B；
根据磁场强度查找磁场-电流关系对应表，得出被测导体的电流；
其中，磁场强度根据如下公式换算得到：B＝(B1-B2)/2。
进一步，所述信号处理电路包括差分信号转换电路以及偏置处理电路；
所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内。
进一步，还包括供电单元，所述供电单元包括蓄电池以及电压转换电路，所述蓄电池的输出端与电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路将蓄电池输出的直流电分别转换成12V、1V以及3.3V直流电，12V直流电向差分信号转换电路和偏置处理电路供电，1V直流电向TMR芯片供电，3.3V直流电向微控制器供电。
进一步，还包括用于安装信号处理电路、微控制器以及显示器的壳体，所述壳体采用高导磁材料制成，所述TMR芯片阵列通过安装支架固定设置于壳体外。
本发明的有益效果：通过本发明，能够实现对配电网中的导体电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的电气结构示意图。
图2为本发明的阵列结构示意图。
图3为本发明测量时磁场示意图。
图4为本发明的壳体结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明，如图所示：
本发明提供的一种基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，包括TMR芯片阵列7、信号处理电路、微控制器以及显示器8；
所述TMR芯片阵列设置于被测导体6所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控制器的显示输出端与显示器的输入端连接，通过上述结构，能够实现对配电网中的导体电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。
本实施例中，所述TMR芯片阵列包括4个TMR芯片：TMR芯片Ⅰ1、TMR芯片Ⅱ2、TMR芯片Ⅲ3以及TMR芯片Ⅳ4，4个TMR芯片处于同一平面内且呈矩形阵列布置，4个TMR芯片分别位于4个矩形的顶点。
其中，所述被测导体到TMR芯片Ⅰ的连线与被测导体到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度；被测导体到TMR芯片Ⅱ的连线与被测导体到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度。安装装置时精确标定TMR芯片阵列7与被测导体6的相对位置距离，之后再根据芯片输出特性，得出阵列中各芯片输出电压与被测导体6中电流大小的关系。再结合信号处理电路中的电压信号增益与处理，编写相应的微控制器程序算法，在程序算法中基于TMR芯片阵列7结构编写去除外部磁场干扰的程序，并使用FFT算法进行程序去噪处理。之后在装置正确安装后，TMR芯片阵列7测量被测导体6周围磁场，输出电压信号，电压信号经信号处理电路输入微控制器，最终处理得到精确的被测导体电流值并在显示器单元8上显示。
本实施例中，如图2所示：所述微控制器根据如下方法测量电流：上述的阵列中，分为两组，TMR芯片Ⅰ1、TMR芯片Ⅱ2为一组，TMR芯片Ⅲ3以及TMR芯片Ⅳ4为一组，分别进行磁场的计算；
由TMR芯片阵列测量被测导体的通电后的磁场强度B；
根据磁场强度查找磁场-电流关系对应表，得出被测导体的电流；
其中，以TMR芯片Ⅰ1和TMR芯片Ⅱ2为例：磁场强度根据如下公式换算得到：B＝(B1-B2)/2；其中，B1为TMR芯片Ⅰ1敏感方向上的磁感应强度，B2为TMR芯片Ⅱ2敏感方向上的磁感应强度；其中，B1＝BS+B；B2＝BS-B；通过B2和B1的两式相减，提出了环境干扰磁场BS。
本实施例中，所述信号处理电路包括差分信号转换电路以及偏置处理电路；
所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内，由于TMR芯片阵列为四个，因此，信号处理电路也为四个。
本实施例中，还包括供电单元，所述供电单元包括蓄电池以及电压转换电路，所述蓄电池的输出端与电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路将蓄电池输出的直流电分别转换成12V、1V以及3.3V直流电，12V直流电向差分信号转换电路和偏置处理电路供电，1V直流电向TMR芯片供电，3.3V直流电向微控制器供电。
本实施例中，还包括用于安装信号处理电路、微控制器以及显示器的壳体，所述壳体采用高导磁材料制成，所述TMR芯片阵列通过安装支架固定设置于壳体外。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，其特征在于：包括TMR芯片阵列、信号处理电路、微控制器以及显示器；
所述TMR芯片阵列设置于被测导体所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控制器的显示输出端与显示器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，其特征在于：所述TMR芯片阵列包括4个TMR芯片：TMR芯片Ⅰ、TMR芯片Ⅱ、TMR芯片Ⅲ以及TMR芯片Ⅳ，4个TMR芯片处于同一平面内且呈矩形阵列布置，4个TMR芯片分别位于4个矩形的顶点。
3.根据权利要求2所述基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，其特征在于：所述被测导体到TMR芯片Ⅰ的连线与被测导体到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度；被测导体到TMR芯片Ⅱ的连线与被测导体到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度。
4.根据权利要求3所述基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，其特征在于：所述微控制器根据如下方法测量电流：
由TMR芯片阵列测量被测导体的通电后的磁场强度B；
根据磁场强度查找磁场-电流关系对应表，得出被测导体的电流；
其中，磁场强度根据如下公式换算得到：B＝(B1-B2)/2。
5.根据权利要求3所述基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，其特征在于：所述信号处理电路包括差分信号转换电路以及偏置处理电路；
所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内。
6.根据权利要求5所述基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，其特征在于：还包括供电单元，所述供电单元包括蓄电池以及电压转换电路，所述蓄电池的输出端与电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路将蓄电池输出的直流电分别转换成12V、1V以及3.3V直流电，12V直流电向差分信号转换电路和偏置处理电路供电，1V直流电向TMR芯片供电，3.3V直流电向微控制器供电。
7.根据权利要求1所述基于TMR隧道磁阻的电流测量装置，其特征在于：还包括用于安装信号处理电路、微控制器以及显示器的壳体，所述壳体采用高导磁材料制成，所述TMR芯片阵列通过安装支架固定设置于壳体外。
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