CN205210163U - 一种巨磁阻效应电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种巨磁阻效应电流传感器，包括：电磁转换模块，包括环形磁芯，穿过环形磁芯的原边绕组和巨磁阻芯片；偏置模块，包括偏置电流源和缠绕在磁芯上的偏置绕组，偏置绕组的两端连接偏置电流源；信号处理模块，包括运算放大器和参考电压产生电路，参考电压产生电路用于产生设定大小的直流电压，运算放大器的两个输入端分别与巨磁阻芯片的两个输出端相连，参考电压产生电路的输出端连接在运算放大器的同相输入端；电源模块，与电磁转换模块和信号处理模块相连，以提供电源。本实用新型解决了巨磁阻芯片为单极性输出特性，不能测量交流电，同时当被测磁场为较弱磁场时，巨磁阻芯片具有磁滞效应，引起较大的输出误差的问题。

Description

一种巨磁阻效应电流传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术，尤其涉及一种巨磁阻效应电流传感器。

背景技术

随着电力电子技术的发展，高性能紧凑型电流传感器的需求逐渐增大。传统的电流检测方法包括分流器、电流互感器、罗氏线圈、霍尔传感器；新型检测技术包括磁通门传感器、巨磁阻传感器和光纤传感器。其中分流器测量方法不能实现电隔离，且功耗较高；电流互感器只能进行交流电流的测量，磁芯容易受饱和的影响，测量频率较低，体积较大，价格昂贵；霍尔电流传感器能够检测较大量程的电流，测量精度在0.5％和2％之间，但是其测量精度受环境温度和外界磁场影响较大，这就限制了其应用范围；罗氏线圈测量频率范围较大，但不可测量直流，且价格昂贵。光纤电流传感器体积小，重量轻，不存在磁饱和影响，抗电磁干扰性能好，但其结构复杂，造价昂贵。磁通门传感器是利用高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度之间的非线性关系来间接测量被测磁场的一种传感器。磁通门传感器具有分辨率高，低温漂，低零漂等优点，但其信号处理电路比较繁琐，主要用于直流弱磁场的测量。与上述电流传感器相比，巨磁阻电流传感器具有高带宽、高灵敏度、低功耗、可靠性好和体积小等优点，它达到了电流传感器未来发展趋势的要求，在未来的检测技术中巨磁阻电流传感器将会应用越来越广泛，发挥它本身的优越性。

然而，当被测磁场较弱且正负交替变化时，由于巨磁电阻相邻铁磁层间较弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片表现出明显的磁滞效应。另外所用的巨磁阻芯片为单极性输出特性，当被测量为交流电流时，输出波形类似于全波整流输出，这样输出的波形容易失真，引起较大的输出误差。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种巨磁阻效应电流传感器，以解决巨磁阻芯片因单极性输出特性不能测量交流电，同时当被测磁场为较弱磁场时，巨磁阻芯片具有磁滞效应，引起较大的输出误差的问题。

本实用新型实施例提供了一种闭环巨磁阻效应传感器，包括：

电磁转换模块，包括环形磁芯，穿过环形磁芯的原边绕组以及巨磁阻芯片；

偏置模块，包括偏置电流源和缠绕在磁芯上的偏置绕组，所述偏置绕组的两端连接所述偏置电流源；

信号处理模块，包括运算放大器和参考电压产生电路，所述参考电压产生电路用于产生设定大小的直流电压，所述运算放大器的同相输入端和反相输入端分别与所述巨磁阻芯片的两个输出端相连，所述参考电压产生电路的输出端连接在所述运算放大器的同相输入端；

电源模块，与所述电磁转换模块和所述信号处理模块相连，用于为所述巨磁阻效应电流传感器提供电源。

本实用新型提供的一种巨磁阻效应电流传感器，通过在环形磁芯上设置偏置绕组用于在磁芯产生偏置磁场，因为巨磁阻芯片为单极性输出特性，当被测量为交流电流时，输出波形类似于全波整流输出，通过磁场的叠加使得作用于巨磁阻芯片的磁场全部提高到线性区，实现了双极性输出。并且增强磁场使得巨磁阻芯片减少磁滞误差。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例一提供的一种巨磁阻效应电流传感器结构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的巨磁阻效应电流传感器在有无偏置磁场时的磁滞曲线图；

图3为本实用新型实施例一提供的开环和闭环结构下巨磁效应电流传感器的输入输出特性曲线图；

图4为本实用新型实施例提二供的电流传感器在无磁芯无磁屏蔽片、仅有磁芯和有磁芯有磁屏蔽片的情况下的磁场分布仿真图；

图5为本实用新型实施例二提供的电流传感器在有磁芯有磁屏蔽片和有磁芯无磁屏蔽片的条件下沿气隙高度方向磁感应强度变化曲线图；

图6为本实用新型实施例二提供的电流传感器在仅有磁芯和有磁芯有磁屏蔽片两种条件下加入2mT的外界杂散磁场的磁场分布仿真图；

图7为本实用新型实施例二提供的巨磁阻效应电流传感器的组成模块框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的一种巨磁阻效应电流传感器结构示意图。本实用新型实施例提供一种巨磁阻效应电流传感器，该电流传感器适用于电路***中不便于直接断开电路用电流表测量电流的情况。如图1所示，该巨磁阻效应电流传感器包括：

电磁转换模块，包括环形磁芯11，穿过环形磁芯11的原边绕组13以及巨磁阻芯片14；

偏置模块，包括偏置电流源41和缠绕在磁芯11上的偏置绕组42，偏置绕组42的两端连接偏置电流源41；

信号处理模块，包括运算放大器21和参考电压产生电路22，参考电压产生电路22用于产生设定大小的直流电压，运算放大器21的同相输入端和反相输入端分别与巨磁阻芯片14的两个输出端相连，参考电压产生电路22的输出端连接在运算放大器21的同相输入端；

电源模块，与电磁转换模块和信号处理模块相连，用于为巨磁阻效应电流传感器提供电源(图中未示出)。

所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻效应电流传感器可以通过直接测量长直导线上电流产生的磁场来测量电流。当某导线中电流变化时，电流产生的磁场随之变化，巨磁电阻也发生变化，利用电桥结构将电阻的变化输出为一个电压信号。由于巨磁电阻和磁场之间具有线性变化规律，输出的电压正比于被测电流，从而实现电流信号的测量功能。

电磁转换模块将原边绕组13的电流信号通过电流产生的磁场转换为电压信号。环形磁芯11聚集原边绕组13产生的磁场并作用于巨磁阻芯片14。因为磁场按照以原边绕组13为圆心的同心圆分布的，磁芯11的形状优选为环形，这样能加强磁芯11的磁感应强度。

但是巨磁阻芯片14为单极性输出特性，当被测量为交流电流时，输出波形类似于全波整流输出。同时当被测磁场为较弱磁场时，由于巨磁电阻相邻铁磁层间较弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片14表现出明显的磁滞效应，引起较大的输出误差。

为了实现双极性输出及减少磁滞误差，本实施例引入了独特的偏置磁场结构，偏置绕组42用于产生偏置磁场，通过磁场的叠加使得作用于巨磁阻芯片14的磁场全部提高到线性区，因为当磁场很弱时，巨磁阻芯片14产生的电压和磁场大小的线性关系不是很强，通过偏置磁场叠加使磁场增强到线性关系强的状态。这样当无被测磁场时，巨磁阻芯片14输出一个直流偏置电压，当有被测电流时，巨磁阻芯片14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。偏置电流源41为偏置绕组42提供电流从而产生偏置磁场。

图2为本实用新型实施例一提供的巨磁阻效应电流传感器在有无偏置磁场时的磁滞曲线图。对有无偏置磁场两种结构下的巨磁效应电流传感器进行测试，被测电流首先正行程从0A增加到14A，分别测量不同电流下的输出电压信号。然后，将电流反行程从14A降至0A，再次测量不同电流下传感器的输出信号。如图2所示，c曲线为有偏置磁场下被测电流正行程对应的输出曲线，d曲线为有偏置磁场下被测电流反行程对应的输出曲线，e曲线为无偏置磁场下被测电流正行程对应的输出曲线，f曲线为无偏置磁场下被测电流反行程对应的输出曲线。由测试曲线可以看出，曲线c和d的重合率要大于曲线e和f。偏置磁场的引入可以大大减小由磁滞现象引起的误差。

巨磁阻芯片14具有两个输出端，两个输出端的电压差值为巨磁阻芯片14产生的电压值。巨磁阻芯片14的两个输出端分别与信号处理模块的运算放大器21的同相输入端和反相输入端相连。因为巨磁阻芯片14输出的电压很小，当原边绕组13产生的磁场发生变化时，不能从巨磁阻芯片14的输出电压中显现出来。运算放大器21将巨磁阻芯片14的输出信号进行放大，能更准确的得知原边绕组13的磁场变化情况从而测量原边绕组13的电流值。参考电压产生电路22可以产生设定的电压，将运算放大器21输出电压控制在设定的区域。

例如，原边绕组13电流为1A时，巨磁阻芯片14输出1V的电压，原边绕组13电流0.1A的变化引起巨磁阻芯片14输出电压变化为0.1V，这是不太明显的差值，很容易因机械误差或读数误差产生输出的误差。而运算放大器21将巨磁阻芯片14输出的1V放大十倍为10V，则当原边绕组13电流有0.1A的变化时引起运算放大器21输出电压值1V的变化，减小输出的误差。

电源模块用于为整个巨磁阻效应电流传感器供电。电源模块与电磁转换模块的巨磁阻芯片14的电源引脚相连，为巨磁阻芯片14供电；与信号处理模块的运算放大器21相连，为运算放大器21提供电源。

优选的，运算放大器21为差分运算放大器；

巨磁阻芯片14的正输出端与运算放大器21的同相输入端相连，巨磁阻芯片14的负输出端与运算放大器21的反相输入端相连；

参考电压产生电路22的输出电压与偏置绕组42在巨磁阻芯片14上产生的偏置电压相等。

运算放大器21输入端接入巨磁阻芯片14两个输出端输出的电压差，同时加入参考电压产生电路22接在运算放大器21的同相输入端，将电压差与参考电压产生电路22产生的电压相叠加，再对叠加后的电压进行放大。运算放大器21同相输入端的参考电压产生电路22用于消除偏置磁场产生的偏置电压，使得传感器最终输出得到一个双极输出的电压，也即输出有正有负的电压。

信号处理模块还包括：推挽式功率放大器23，推挽式功率放大器23的输入端与运算放大器21的输出端连接。

推挽式功率放大器23将运算放大器21的输出信号进一步放大，使电流传感器的测量结果更加精确。

电源模块包括电源产生电路；

电源产生电路用于根据供电电压分别为巨磁阻芯片14、参考电压产生电路22、运算放大器21和推挽式功率放大器23产生相适应的工作电压。

巨磁阻芯片14、运算放大器21和推挽式功率放大器23的供电电源是不同的。例如，巨磁阻芯片14可以用电压为5V的电压供电，运算放大器21可使用15V的电源。生活中没有电压为5V或15V的直流电压源，可以用电压为220V的电源通过电源产生电路输出各种需要的电压。

另外，电流传感器还包括：

反馈补偿模块，包括缠绕在所述磁芯上的反馈绕组51和一采样电阻52，反馈绕组51的一端连接推挽式功率放大器23的输出端，另一端串联采样电阻52接地。

反馈绕组51与原边绕组13构成闭环***，传感器工作于零磁通状态，有效提高了传感器的量程和抗干扰特性。产品的结构相对简单、成本低和功能多。反馈绕组51与原边绕组13产生的磁场大小相等时就达到了零磁通的工作状态。由于被测电流的任何变化都会破坏闭环***达到的这一平衡，而一旦磁场失去平衡，巨磁阻芯片14就有电压信号输出，此信号经放大后，立即有相应的反馈电流即补偿电流流过反馈绕组51对失衡的磁场进行补偿，以达到新的平衡。由于上述的平衡过程所需的时间小于1μs，因此决定了本实用新型闭环巨磁阻效应电流传感器具有较快的响应速度。

如图3所示，图3为本实用新型实施例一提供的开环和闭环结构下巨磁效应电流传感器的输入输出特性曲线图。曲线g为开环结构下巨磁效应电流传感器的输入输出曲线，曲线h为闭环结构下巨磁效应电流传感器的输入输出曲线。可以看出，曲线h的线性度要好于曲线g，且对于输入相同的电流，曲线h对应的输出电压要小于曲线g。闭环结构可以有效提高传感器的抗干扰性和量程范围。

本实用新型实施例提供的一种巨磁阻效应电流传感器，在环形磁芯上缠绕偏置绕组用于对巨磁阻芯片产生偏置磁场，通过磁场的叠加使得作用于巨磁阻芯片的磁场全部提高到线性区，实现了双极性输出及减少磁滞误差。反馈补偿绕组与原边绕组组成闭环***，传感器工作于零磁通状态，有效提高了传感器的量程和抗干扰特性。

实施例二

本实施例二在上述实施例的基础上对巨磁阻电流传感器作进一步的说明。参考图1，环形磁芯11上带有气隙；

电磁转换模块还包括：放置于环形磁芯11气隙两端的两个磁屏蔽片12。

由于巨磁阻对磁场的高度敏感特性，使得它们同时易受外界杂散磁场的影响。这些杂散磁场的场源包括电机和变压器等电器设备，或者传感器周围的载流导体等等。杂散磁场会引起传感器产生较大的输出误差，影响了电流测量结果的准确度。设置带气隙的环形磁芯11和磁屏蔽片12能有效屏蔽杂散磁场，增强原边磁场的影响，减小输出误差。

带气隙的环形磁芯11就为一个C形的环，磁屏蔽片12加在气隙的两端。

巨磁阻芯片14放置于环形磁芯11的气隙处。

为了加强巨磁阻芯片14对于原边绕组磁场的灵敏度，巨磁阻芯片14的敏感轴方向与环形磁芯11的气隙高度方向相一致。

磁场方向为环形磁芯11的方向，所以要使巨磁阻芯片14的敏感轴方向与环形磁芯11气隙方向一致。

磁屏蔽片12的面积大于等于巨磁阻芯片14各侧面中与磁屏蔽片12相邻的侧面的面积。

巨磁阻芯片14要放置在两个磁屏蔽片12的内部，目的同样是为了提高电流传感器的灵敏性。

磁芯11及磁屏蔽片12的材料为坡莫合金材料。

由磁阻公式R_m＝l/μS可知，磁阻与材料的磁导率成反比，因此一般要选用高磁导率材料。为了增大检测范围的量程，应选用高饱和磁密的导磁材料，同时为了得到实时精确的检测结果，要选用低磁滞、低矫顽力材料。常用的磁屏蔽材料包括：电磁软铁，硅钢片、坡莫合金、非晶合金等。其中非晶合金磁导率最高，但价格较为昂贵，电磁软铁和硅钢片价格便宜，但磁导率较低。从性能和成本方面考虑，本发明选择了坡莫合金材料作为磁芯11和磁屏蔽片12的材料。其电阻率为0.56μΩ·m，居里点为400℃，饱和磁感应强度为B_s＝0.7T，饱和磁感应强度下的矫顽力H_c不大于1.6A/m，直流磁性能满足在0.08A/m磁场强度中的磁导率不小于37.5mH/m，满足磁屏蔽对材料的要求。

本实施例在原边绕组电流为20A时，利用有限元软件对巨磁效应电流传感器分别在无磁芯无屏蔽片、仅有磁环和有磁芯有磁屏蔽片的情况下的磁场分布情况进行仿真分析。

图4为本实用新型实施例提二供的电流传感器在无磁芯无磁屏蔽片、仅有磁芯和有磁芯有磁屏蔽片的情况下的磁场分布仿真图。由磁场分布情况可以看，磁场强度依至原边绕组的距离由远及近渐渐增强，环形磁芯及磁屏蔽片的引入可以大大提高巨磁阻芯片位置处的磁感应强度，增大磁增益系数，即传感器灵敏度将有显著的提高。

同样的，在原边绕组13电流为20A时，利用有限元软件对巨磁效应电流传感器分别在有磁芯无磁屏蔽片和有磁芯有磁屏蔽片的情况下的沿气隙高度方向磁感应强度进行仿真分析。图5为本实用新型实施例二提供的电流传感器在有磁芯有磁屏蔽片和有磁芯无磁屏蔽片的条件下沿气隙高度方向磁感应强度变化曲线图。如图5所示，a为在有磁芯无磁屏蔽片的条件下沿气隙高度方向磁感应强度变化曲线，b为在有磁芯有屏蔽片的条件下沿气隙高度方向磁感应强度变化曲线，明显的，曲线b磁感应强度比较稳定。由图5可以看出加入磁屏蔽片可以使气隙处磁场更加稳定，从而增加了传感器的精度。图5中距离轴的零点代表气隙的中心点。

图6为本实用新型实施例二提供的电流传感器在仅有磁芯和有磁芯有磁屏蔽片两种条件下加入2mT的外界杂散磁场的磁场分布仿真图。由两种条件的仿真结果可以看出两种结构对外界杂散磁场都具有较高的屏蔽效能。相比之下，磁屏蔽片的引入具有更加优越的屏蔽效果，有磁芯有磁屏蔽片结构下的传感器精度更高。

本实用新型实施例二提供的一种巨磁阻效应电流传感器，在加入偏置绕组的同时，通过在环形磁芯上设置空隙并引入磁屏蔽片，有效减少了外界杂散磁场的干扰，增加了传感器的磁增益系数，从而使所设计电流传感器的精度和灵敏度得到很大程度的提高。并选定磁芯和磁屏蔽片的材料为坡莫合金材料，进一步增加巨磁阻效应电流传感器的灵敏度，减小输出误差。

在上述实施例的基础上，本实施例巨磁阻效应电流传感器由五部分模块组成，如图7所示。图7为本实用新型实施例二提供的巨磁阻效应电流传感器的组成模块框图。参考图1和图7，本实施例中闭环巨磁阻效应电流传感器的组成框图包含电磁转换模块1、偏置模块4、信号处理模块2、反馈补偿模块5和电源模块3五部分，五部分模块组成回路闭环***。被测电流通过电磁装换模块1输出电压信号。偏置模块4为巨磁阻芯片14提供恒定偏置磁场，以实现测量交流电流及改善磁滞误差的目的。信号处理模块2将巨磁阻芯14输出电压信号去除偏置磁场产生的偏置电压，并对输出信号进行放大处理。反馈补偿模块5将放大后的电压信号通过反馈绕组51及采样电阻52进行接地，构成反馈电流，当***达到零磁通状态后，通过反馈电流信号即可间接测得原边被测电流信号。电源模块3用来为整个电流传感器提供电源。

具体过程为：原边绕组13穿过环形磁芯11，流过原边绕组13的电流产生的磁场被环形磁芯11及磁屏蔽片12聚集后，作用于巨磁阻芯片14。巨磁阻芯片14在感应到磁场作用后，将会有电压信号输出，该输出的电压信号送入运算放大器21，运算放大器21与推挽式功率放大器23连接，上述输出的电压信号经过运算放大器21和推挽式功率放大器23进行放大之后，通过反馈绕组51和采样电阻52接地，形成反馈电流，该反馈电流经过反馈绕组51产生反馈磁场。由于反馈绕组51产生的磁场与原边绕组13电流产生的磁场方向相反，因而减弱了气隙处磁场，使巨磁阻芯片输出逐渐减小，当两线圈产生的磁场大小相等时，反馈电流不再增大，整个***达到动态平衡。设N_p为原边绕组13的线圈匝数，I_p为原边电流，N_f为反馈绕组51的线圈匝数，I_f为反馈电流，有N_pI_p＝N_fI_f。因此通过测量反馈绕组中的电流I_f即可间接得出被测电流I_p，其中I_f可通过采样电阻上的电压来得到。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种巨磁阻效应电流传感器，其特征在于，包括：

电磁转换模块，包括环形磁芯，穿过环形磁芯的原边绕组以及巨磁阻芯片；

偏置模块，包括偏置电流源和缠绕在磁芯上的偏置绕组，所述偏置绕组的两端连接所述偏置电流源；

信号处理模块，包括运算放大器和参考电压产生电路，所述参考电压产生电路用于产生设定大小的直流电压，所述运算放大器的同相输入端和反相输入端分别与所述巨磁阻芯片的两个输出端相连，所述参考电压产生电路的输出端连接在所述运算放大器的同相输入端；

电源模块，与所述电磁转换模块和所述信号处理模块相连，用于为所述巨磁阻效应电流传感器提供电源。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述运算放大器为差分运算放大器；

所述巨磁阻芯片的正输出端与所述运算放大器的同相输入端相连，所述巨磁阻芯片的负输出端与所述运算放大器的反相输入端相连；

所述参考电压产生电路的输出电压与所述偏置绕组在所述巨磁阻芯片上产生的偏置电压相等。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述信号处理模块还包括：推挽式功率放大器，所述推挽式功率放大器的输入端与所述运算放大器的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的电流传感器，其特征在于，还包括：

反馈补偿模块，包括缠绕在所述磁芯上的反馈绕组和一采样电阻，所述反馈绕组的一端连接所述推挽式功率放大器的输出端，另一端串联所述采样电阻接地。

5.根据权利要求3所述的电流传感器，其特征在于，所述电源模块包括电源产生电路；

所述电源产生电路用于根据供电电压分别为所述巨磁阻芯片、所述参考电压产生电路、所述运算放大器和所述推挽式功率放大器产生相适应的工作电压。

6.根据权利要求1-5任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述磁芯上带有气隙；

所述电磁转换模块还包括：放置于所述磁芯气隙两端的两个磁屏蔽片。

7.根据权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，所述巨磁阻芯片放置于所述磁芯的气隙处。

8.根据权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，所述巨磁阻芯片的敏感轴方向与所述磁芯的气隙高度方向相一致。

9.根据权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，所述磁屏蔽片的面积大于等于所述巨磁阻芯片各侧面中与所述磁屏蔽片相邻的侧面的面积。

10.根据权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，所述磁芯及所述磁屏蔽片的材料为坡莫合金材料。