一种基于磁分流结构的闭环电流传感器

技术领域

本发明属于磁传感器应用技术领域，涉及一种基于磁分流结构的闭环电流传感器。

背景技术

电流传感器是一种检测装置，能感受到被测电流的信息并能将其按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。电流传感器一般应用于电流的实际测量和保护系统中，如光伏、风电、冶金、电力、智能电网、铁路机车、电源、航天、军工、物联网等领域，电流传感器作为主要的检测元件，在保障系统的安全稳定方面上发挥了至关重要的作用。

电流传感器根据根据是否存在反馈电路可分为开环电流传感器和闭环电流传感器两大类。开环电流传感器由于其结构简单、可靠性高和过载能力强的优点而受到厂商的青睐。开环电流传感器的结构一般由磁芯、穿过磁芯的励磁导线、检测元件和处理电路构成。例如授权公告号为CN 210835038 U的专利技术，其采用对称双磁芯、双传感器消除干扰信号，抗干扰能力强，但是工作量程受传感芯片的工作范围限制难以提高，响应时间也受磁滞以及外磁场影响，故带宽低，响应慢、精度低；授权公告号为CN 112147401 A，名称为一种基于霍尔电流传感器的电流检测电路的发明专利，类似的，其工作量程受传感芯片的线性工作范围限制，也是存在量程小、线性度不好、精度低的问题。

闭环电流传感器的结构一般包括检测元件、磁芯或无磁芯、处理电路、反馈线圈等部分。例如授权公告号为CN 203259575 U，名称为闭环电流传感器的实用新型专利，将磁敏检测元件置于磁环开口气隙处，并设有信号处理电路以及反馈线圈，产生和原边电流产生的磁场相反的反馈磁场，即磁平衡法，但是由于气隙处磁场太强且微小的位置变化对测量精度影响太大，导致其工作量程更小、线性度更低并且振动对其稳定性影响大。授权公告号为CN 210803570 U，名称为一种闭环电流传感器，其采用电流互感器的技术手段，一定程度上可以提高检测的精度，可是该技术方法只能检测交流信号，无法检测直流信号。授权公告号为CN 207215885 U，名称为一种闭环电流传感器的实用新型专利，其采用了无磁芯的方案，直接对传感芯片上的磁场进行反馈，无磁芯不具有聚磁效果，在装置固定的情况下，对于弱小磁场的信号就无法进行检测，检测精度难以提高。

综上所述，目前开环电流传感器有量程小、线性度低、精度低、带宽低等问题，闭环电流传感器现有相关技术也是存在量程小、线性度低、精度不高或者稳定性不够好的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于磁分流结构的闭环电流传感器，旨在解决和弥补现有技术存在的不足，提高电流传感器的工作量程、检测精度、工作带宽和线性度。

本发明包括可拆卸精准定位磁环安装固定支架、具有两个对称间隙的磁环、磁传感器，由仪表放大器、功率放大器、反馈线圈、采样电阻、MCU组成的信号处理与信号反馈电路以及可与信号处理电路通信的PC端的上位机。

所述的磁环为两个半圆磁环以及两个对称气隙构成的磁环结构，该磁环结构的上半部分磁环结构可拆卸，下半部分磁环结构通过磁环支架进行固定，从而对于待测电路可以原位组装并测量电流，而不会对原电路结构造成破坏或影响；所述的磁环安装支架可以将两个半圆形磁环精准固定，使得磁环的两个气隙的宽度保持固定，磁环上两个气隙的作用是将待测电流所产生的信号磁场进行分流和衰减，将较大的原信号磁场通过气隙处产生的杂散磁场在气隙向磁环中心延伸的位置上产生一个较小的磁场分量；磁传感器设置于气隙和磁环中心连线的中心位置处，磁传感器的敏感轴方向与气隙和磁环中心的连线平行，可感知和检测经过分流和衰减后的信号磁场分量，从而可将磁传感器的检测磁场范围增加，也就是电流传感器所能检测的信号电流的范围增加，可以检测较宽量程的电流信号；信号处理电路和信号反馈电路的作用是将磁传感器输出的信号进行放大处理并转化为电流信号后驱动反馈线圈，信号反馈线圈绕制在下半磁环上，信号反馈线圈在磁传感器敏感轴方向上所产生的反馈磁场与原信号磁场大小相近、方向相反，形成一个闭环结构，从而可以进一步提高电流传感器的检测磁场范围、灵敏度和和线性度。所述上位机是可以与信号处理电路通信的PC端软件，作用是将信号处理电路通过串口输出的电流测量值在PC端进行读取和显示，并可进行进一步数据处理。

所述的磁传感器是一类高灵敏度磁传感器，由四个磁敏电阻组成的惠斯特电桥结构构成，可以检测信号电流在磁环气隙与磁环中心连线的中心处产生的漏磁场，磁传感器的惠斯通电桥输出一个差分信号，由仪表放大器进行信号电压的放大，并输出给功率放大器。

所述功率放大器为一个电压转电流信号的运算放大器，其作用是将由仪表放大器输出电压信号转换为电流信号，并将该电流驱动反馈线圈，使得反馈线圈在反馈电流驱动下在磁传感器的敏感轴方向上产生一个与原信号电流所产生的信号磁场方向相反、大小相近的反馈磁场，形成一个闭环反馈结构。

所述反馈线圈为由金属导线绕制的螺旋线圈结构，在反馈电流驱动下可以产生与信号电流在磁传感器的敏感轴方向上产生一个大小相近、方向相反的磁场。

所述的采样电阻是一个大功率电阻，将反馈线圈内的电流信号通过采样电阻两端的电压来检测反馈电流，并将此电压信号输入MCU进行ADC转换，最后由MCU与PC进行串口通信，最后呈现在PC端上位机上。

进一步地，所述的磁环采用镍系、钴系或铁系软磁材料组成。

进一步地，所述的固定支架包括磁环固定外壳、榫接结构、磁传感器固定结构，固定支架由无磁性物质制成，如：树脂、塑料等。

进一步地，所述的磁传感器选用巨磁电阻传感器、各向异性磁电阻传感器或隧道结磁电阻传感器。

进一步地，所述的反馈圈由非磁性、高电导率铜芯漆包线材料绕制而成。

本发明结合了磁传感器技术、磁分流技术及信号反馈技术，采用磁分流技术将较大的信号磁场分流和衰减为减小的磁场，从而增加了系统的工作范围，提高了电流传感器可检测的电流工作量程，并且采用闭环结构平衡原信号磁场，可进一步提高电流传感器的工作量程及线性度，本技术方法获得的电流传感器具有灵敏度高、工作量程宽、线性度好和带宽高等特点。

附图说明

图1为本发明整体系统示意图；

图2为本发明固定支架示意图；

图3为系统简化后的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于磁分流结构的闭环电流传感器，包括信号电流导线1-1、磁环1-2、磁传感器1-5、仪表放大器1-6、功率放大器1-7、反馈线圈1-8、采样电阻1-9、MCU 1-10以及上位机1-11；

磁环1-2选用软磁材料，本实施例中选用的是铁基非晶材料，内径40mm，外径60mm，整体呈圆环状，并在左右两侧具有1mm宽的气隙(图中为左磁环气隙1-3、右磁环气隙1-4)。

信号电流导线1-1选用铜制材料，垂直穿过磁环所在的平面向内，铜棒与磁环的圆心重合。

磁传感器1-5为巨磁电阻(GMR)传感器，位于导线一侧的导线到磁环该侧内壁的垂直平分线上，其敏感轴方向为垂直方向向下。

仪表放大器1-6选用低噪声、高精度、高共模抑制比的差分输入运算放大器，位于磁环的外侧。

功率放大器1-7为电压信号转换为电流信号的运算放大器，位于仪表放大器1-6的后级，接为跟随模式，用于驱动反馈线圈1-8产生电流。

反馈线圈1-8为铜质漆包线绕制而成，缠绕在下半侧磁环上左右关于圆心所在的垂直方向的直线对称，位于功率放大器的后级，将电流信号转化为磁场信号抵消信号电流导线1-1产生的聚集在磁环1-2内的磁场，以达到磁平衡的效果。

采样电阻1-9为大功率厚膜电阻，阻值为1欧姆，位于线圈的后级，采样电阻的另一端接地，且与功率放大器共地，将流过电阻的电流再转为电压信号，输入至MCU1-10部分进行ADC转换并输出的后级的上位机1-11上显示监测。

如图2所示，图示为图1实施过程中信号电流导线1-1、磁环1-2以及磁传感器1-5的固定支架，包括信号电流导线槽2-1、固定气隙2-2、磁传感器PCB固定孔2-3、上半磁环支架2-4、上半磁环槽2-5、榫头2-6、榫眼2-7、下半磁环支架2-8、下半磁环槽2-9、下半磁环支撑台2-10；

信号电流导线槽2-1位于下半磁环支架上方，在上半磁环拆卸后，可将待测导线卡入槽内，以达到固定信号电流导线的作用。

上半磁环支架2-4为上半磁环的支架，包括上半磁环槽2-5以及两个榫头2-6。本实施例中上半磁环槽2-5为凹陷结构，将半环形磁环精准固定在槽内部，以达到磁环和支架牢固结合的作用。榫头2-6为凸出结构，用于和榫眼2-7对接达到榫接固定作用。

下半磁环支架2-8为下半磁环的支架，包括分别与两个榫头2-6相对设置的两个榫眼2-7、下半磁环槽2-9以及下半磁环支撑台2-10。

本实施例中下半磁环槽2-9为凹陷结构，中间两侧略宽，用于绕制反馈线圈，绕制完成后的磁环可被精准固定在槽内，以达到磁环和支架牢固结合的作用。榫眼2-7为凹陷结构，用于和榫头2-6对接达到榫接固定作用。

上半磁环支架2-4和下半磁环支架2-8榫接后左右两侧对称设置固定气隙2-2，此固定气隙可以分隔在上下磁环槽内的两半磁环1-2，在左右两侧可以形成两个等固定间距的气隙，以达到榫接后形成磁分流结构的作用。

磁传感器PCB固定孔2-3用于将磁传感器1-5所在印刷电路板固定在磁环支架上，以保证磁传感器和磁环的相对位置不再改变。

下半磁环支撑台2-10用于支撑整个固定支架，可以平放在平整操作台面上。

如图3所示，图示为图1实施过程的一个原理简化的电路图，包括磁传感器、仪表放大器U1、功率放大器U2以及反馈线圈Coil和采样电阻R。

本实施例中，采用的是有源磁传感器GMR SAS030-1，故供电5V。左侧由R1、R2、R3、R4组成的惠斯通电桥结构为磁传感器的内部结构的展开，R1、R3之间以及R2、R4之间的信号作为差分信号输出至后级仪表放大器。

仪表放大器U1采用德州仪器的INA849，在频带范围内可以在较好的性能下进行1000倍的信号放大，35V/μs的压摆率可以保证信号不失真。

功率放大器U2选用德州仪器的OPA548，最大可以产生3A的电流信号，足够线圈产生抵消信号电流导线中电流产生的磁场信号。

本发明的具体实施过程是，将上半磁环卡入上半磁环槽内，将反馈线圈绕制在下半磁环并将下半磁环卡入下半磁环槽内，然后将磁传感器所在的印制电路板固定在下半磁环支架上，并将信号电流导线卡入信号电流导线槽内，将上下两部分磁环支架榫接固定后，在信号电流导线上通入电流，方向垂直于平面向内，在空间中产生一个顺时针方向的磁场，大部分磁场被磁环聚集在磁环内部，并在气隙处产生一个较小的漏磁场，漏磁场的方向平行于磁传感器的敏感轴，磁传感器检测到磁场变化而产生一个正向的差分电压信号至仪表放大器，仪表放大器经过调整Rg电阻进行信号放大后，由功率放大器对前级电压信号进行转换为电流信号，由此电流在反馈线圈内产生一个逆时针方向的磁场，随着反馈线圈内的电流增大，反馈磁场不断增大，此时磁场接近抵消原磁场，使得最后反馈线圈内的电流最后会稳定在一个较小的值，此过程非常快，在几毫秒甚至微秒内，此时后级的采样电阻就可以将电流信号转为一个电压信号读取出来，经过校准后，就可以根据采用电阻上的电压值来判断被测电流的大小。同时，采样电阻上的电压信号也流入MCU，经过ADC转换为数字信号，再通过MCU的串口输出至PC端的上位机上显示，以达到在上位机可以实时监测显示待测电流大小的目的。

具体地，仪表放大器U1外围电路包括两个电源、一个Rg电阻、以及C1和C2两个滤波电容。电源用于给U1进行供电，电压值决定了仪表放大器放大后的最大输出电压，Rg电阻用于调整放大倍数，理论上可以根据手册提供的公式进行1至无穷大的倍数调节，C1以及C2是滤波电容，对电源的纹波进行过滤。

具体地，功率放大器U2的外围电路包括两个电源、以及C3、C4两组滤波电容，C3、C4可以选用或同时使用0.1uF、10uF、1000uF等容值，对大电流电源的纹波、噪声进行过滤，保证输出信号是纯粹的前级电压信号转为而来的电流信号。此运算放大器将反相输入端和输出端相连，根据运放虚短虚断的特性，使其成为一个跟随模式的运放，输入和输出的电压达到相同大小。

本发明技术结合了磁传感器技术、磁分流技术及信号反馈技术，采用磁分流技术将较大的信号磁场分流和衰减为减小的磁场，从而增加了系统的工作范围，提高了电流传感器可检测的电流工作量程，并且采用闭环结构平衡原信号磁场，可进一步提高电流传感器的工作量程及线性度，本技术方法获得的电流传感器具有灵敏度高、工作量程宽、线性度好、和带宽高等特点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因磁旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。