專利名稱：獨(dú)立封裝的電表傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量電能消耗的電表裝置，更具體的，涉及采用隧道磁電 阻(TMR，TunnelingMagnetoresistive)器件測量穿過導(dǎo)電體的電流和連接于導(dǎo)電體的負(fù)載
兩端的電壓的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電力行業(yè)中，從相對高成本的機(jī)械式瓦特_小時電表向易于集成的低成本、 多功能、能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的固態(tài)式遠(yuǎn)傳電表系統(tǒng)轉(zhuǎn)變正成為一種趨勢。雖然已經(jīng)開發(fā)了 用于計(jì)算與電能計(jì)量相關(guān)的電路參數(shù)的集成電路，但是，仍然需要一種能耐受供電網(wǎng)絡(luò) 不穩(wěn)定所造成的電流瞬變沖擊的電表傳感器。它需要能在一個很寬的量程范圍內(nèi)測量不 同環(huán)境下工作的不同負(fù)載的電能消耗，同時具有低成本、高精度和高集成度的優(yōu)點(diǎn)。因 此，開發(fā)一種與供電網(wǎng)絡(luò)電氣隔離的固態(tài)電表傳感器是一種重要的實(shí)際需求。另外，通常的電表采用具有模擬輸出的離散的傳感器將電壓和電流信息提供給 后續(xù)計(jì)算電能消耗的微處理器電路。由于電能測量本身的特點(diǎn)，以及供電導(dǎo)線最小尺寸 的限制，通常將傳感器集成到與用于電能計(jì)算的微處理器相同的集成電路封裝中非常困 難。另外，一種能提供被測負(fù)載電壓和電流等電能參數(shù)數(shù)字化的值，并與現(xiàn)有的供電網(wǎng) 絡(luò)電氣隔離的傳感器很容易和后續(xù)電路集成到一起，從而提高固態(tài)電表工作的穩(wěn)定性， 并降低成本。此外，獲得高測量分辨率也是電表傳感器的一個非常重要的參數(shù)。有一種重要 的趨勢是采用霍爾傳感器和磁阻傳感器——包括各向異性磁電阻(AMR，Anisotropic Magnetoresistance)禾[!巨磁電阻(GMR, Giant Magnetoresistance)替代常用的電流互感器或 羅果夫斯基線圈(Rogowski Coil)來進(jìn)行電流測量。霍爾傳感器相對成本較高而且分辨率 較低。各向異性磁電阻和巨磁電阻器件雖然具有較高的分辨率，但由于其輸出信號幅值 通常較小，從而增加了前端放大電路設(shè)計(jì)的困難，這使得整個系統(tǒng)的復(fù)雜度和集成電路 尺寸有所增加，從而相應(yīng)地提高了其成本。隧道磁電阻(TMR)器件，也稱磁性隧道結(jié) (MTJ，MagneticTunnel Junction)器件，能提供一個很高的分辨率和更大幅值的信號，因 此其前端放大電路比較簡單，這樣，采用TMR傳感器件進(jìn)行電能消耗測量，在整體上成 本能得到有效降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種測量系統(tǒng)與被測供電網(wǎng)絡(luò)電氣隔 離，具有數(shù)字化輸出，精度和分辨率更高的電表傳感器，即一種采用隧道磁電阻的固態(tài) 高精度電流隔離式電表傳感器。按照本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，電表傳感器通過使用TMR磁性傳感器或TMR 磁性傳感器與電容的組合，在傳感器與供電網(wǎng)絡(luò)電氣隔離情況下測量負(fù)載所消耗的電 能。通過測量負(fù)載兩端的電壓和導(dǎo)線中的電流，以獲得負(fù)載的瞬時功率和其它所需要參數(shù)的實(shí)時測量。電流通過磁性傳感器檢測與流過導(dǎo)線的電流相關(guān)聯(lián)的磁場來測量。電壓 的測量包括兩種不同的方式，一是測量一個與負(fù)載并聯(lián)的分流線圈所產(chǎn)生的磁場，二是 通過測量與負(fù)載并聯(lián)的耦合電容分壓器的電壓。之后將負(fù)載的電流和電壓信號經(jīng)ADC模 數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)微處理器計(jì)算處理后，再采用接口邏輯電路將所測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 成后續(xù)應(yīng)用的可能形式。具體的有以下技術(shù)方案方案一一種獨(dú)立封裝的電表傳感器，可以用來測量連接在導(dǎo)線上的負(fù)載的能量消耗， 主要包括以下部分一串聯(lián)在電源輸入與負(fù)載之間的內(nèi)部導(dǎo)線；一串聯(lián)在內(nèi)部電源導(dǎo)線和外部地線或中性線間的電壓分流線圈與內(nèi)部電阻，電 壓分流線圈與負(fù)載并聯(lián)；第一磁性傳感器，其緊鄰內(nèi)部導(dǎo)線并與流過該導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場磁耦 合；第一磁性傳感器測量環(huán)繞著該內(nèi)部導(dǎo)線的磁通量，并且產(chǎn)生響應(yīng)于該磁通量的一第 一輸出(電流信號)，該第一輸出指示導(dǎo)線中的電流大小；第二磁性傳感器，其緊靠與負(fù)載并聯(lián)的電壓分流線圈安置，并與流經(jīng)該電壓分 流線圈電流的磁場磁耦合；第二磁性傳感器檢測通過電壓分流線圈的電流，并提供響應(yīng) 于該電流的一第二輸出(電壓信號)，該第二輸出指示負(fù)載兩端的電壓；一對電壓信號和電流信號進(jìn)行采樣并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊；一對所采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊；一用來對第一磁性傳感器輸出的電流信號和第二磁性傳感器輸出的電壓信號采 樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模 塊。優(yōu)選地，第一磁場傳感器和第二磁場傳感器使用的是MTJ磁性隧道結(jié)器件。優(yōu)選地，第一磁性傳感器件、第二磁性傳感器件、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以 及通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏輯模塊與分流電阻線圈、待測網(wǎng)絡(luò)電氣和物理隔離，隔離是通 過使用磁耦合和絕緣電介層來實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地，第一磁性傳感器和第二磁性傳器各自包含至少一個MTJ傳感器。優(yōu)選地，至少一個磁性傳感器件具有一偏置電壓響應(yīng)特征曲線，該曲線被用來 控制傳感器的響應(yīng)的幅值，并用來自動調(diào)整電表傳感器的量程。優(yōu)選地，至少一個磁性傳感器件具有一片上電磁鐵，該電磁鐵用以線性化傳感 器響應(yīng)。方案二一種獨(dú)立封裝的電表傳感器，可以用來測量連接在導(dǎo)線上的負(fù)載的能量消耗， 主要包括一串聯(lián)在電源輸入與負(fù)載之間的內(nèi)部導(dǎo)線；一內(nèi)部電阻和用以將電壓檢測電路與電源輸入導(dǎo)線隔離的外接電容，該外接電 容可以用一 RC網(wǎng)絡(luò)來替代，以調(diào)整它的帶寬；一磁性傳感器緊鄰內(nèi)部導(dǎo)線安置并與流過該導(dǎo)線的電流相關(guān)聯(lián)的磁場磁耦合；
7該磁性傳感器檢測環(huán)繞著內(nèi)部導(dǎo)線的磁通量，并且產(chǎn)生響應(yīng)于該磁通量的一第一輸出 (電流信號)，該第一輸出指示導(dǎo)線中的電流大??；—連接到放大器或緩沖器的兩個輸入端的電阻，該電阻與外接的電容結(jié)合使用 以形成一分壓網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)用以測量負(fù)載兩端的電壓；一對電壓信號和電流信號進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊；一對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊；一用來對第一磁性傳感器輸出的電流信號和第二磁性傳感器輸出的電壓信號采 樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式兼容的接口邏輯模塊。優(yōu)選地，磁性傳感器使用的是MTJ磁性隧道結(jié)器件。優(yōu)選地，磁性傳感器包含至少一個MTJ傳感器。優(yōu)選地，磁性傳感器件、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏 輯模塊與分流電阻線圈、待測網(wǎng)絡(luò)電氣和物理隔離，隔離是通過使用的磁耦合和絕緣電 介層來實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地，至少一個磁性傳感器件具有偏置電壓響應(yīng)特征曲線，該曲線用以控制 傳感器的響應(yīng)的幅值，并用來自動調(diào)整電表傳感器的量程。優(yōu)選地，磁性傳感器件具有一片上電磁鐵，該電磁鐵用以線性化傳感器響應(yīng)。方案三方案三所述的獨(dú)立封裝的電表傳感器，可以用來測量連接在導(dǎo)線上的負(fù)載的能 量消耗，主要由以下部分組成一串聯(lián)在電源輸入與負(fù)載之間的外部導(dǎo)線；一串聯(lián)在外部電源導(dǎo)線與外部地線或供電系統(tǒng)中性端的電壓分流線圈，該電壓 分流線圈與負(fù)載并聯(lián)；安裝在電表傳感器封裝內(nèi)部的第一磁性傳感器，它與流過外部導(dǎo)線的電流所產(chǎn) 生的磁場磁耦合，第一磁性傳感器檢測與外部導(dǎo)線相關(guān)聯(lián)的磁通量，并且響應(yīng)于該磁通 量而產(chǎn)生一第一輸出(電流信號)，該第一輸出指示所述導(dǎo)線中的電流大??；第二磁性傳感器，其緊靠與負(fù)載并聯(lián)的電壓分流線圈安置，并與流經(jīng)該電壓分 流線圈的電流所產(chǎn)生的磁場磁耦合，第二磁性傳感器檢測通過電壓分流線圈的電流，并 響應(yīng)該電流而輸出一電壓信號，該電壓信號代表負(fù)載兩端的電壓；內(nèi)部的一高磁導(dǎo)率的屏蔽結(jié)構(gòu)，用以將第二磁性傳感器件屏蔽于外部導(dǎo)線所產(chǎn) 生的磁場，磁性屏蔽層離第一磁性傳感器件足夠遠(yuǎn)，而且并不會對第一傳感器件感應(yīng)外 部電源導(dǎo)線的磁場產(chǎn)生明顯影響；—對電壓信號和電流信號進(jìn)行采樣并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊；一對所采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊；—用來對第一磁性傳感器輸出的電流信號和第二磁性傳感器輸出的電壓信號采 樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模 塊。優(yōu)選地，第一磁場傳感器和第二磁場傳感器包含MTJ磁性隧道結(jié)器件。
優(yōu)選地，第一磁性傳感器和第二磁性傳器分別包含至少一個MTJ傳感器。優(yōu)選地，第一磁性傳感器件、第二磁性傳感器件、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以 及通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏輯模塊與分流電阻線圈、待測網(wǎng)絡(luò)電氣和物理隔離，隔離是通 過使用磁耦合和絕緣電介層來實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地，至少一個磁性傳感器件具有偏置電壓響應(yīng)特征曲線，該曲線用以控制 傳感器的響應(yīng)的幅值，并用來自動調(diào)整電表傳感器的量程。優(yōu)選地，至少一個磁性傳感器件具有一片上電磁鐵，該電磁鐵用以線性化傳感 器響應(yīng)。優(yōu)選地，內(nèi)部屏蔽用以將外部導(dǎo)線產(chǎn)生的磁通量聚集在第一磁性傳感器占據(jù)的 區(qū)域。優(yōu)選地，第一磁性傳感器通過設(shè)備封裝外部的一開槽鐵磁環(huán)與電源導(dǎo)線磁耦合。優(yōu)選地，通過將該封裝靠近電源導(dǎo)線放置，使得第一磁性傳感器與電源導(dǎo)線磁 華禹合。方案四方案四所述的獨(dú)立封裝的電表傳感器，其用以測量連接在導(dǎo)線上的負(fù)載的能量 消耗，主要由以下部分組成一串聯(lián)在電源輸入與負(fù)載之間的外部導(dǎo)線；安置在電表傳感器封裝內(nèi)部的第一磁性傳感器，以使得它能夠與流過外部導(dǎo)線 的電流所產(chǎn)生的磁場磁耦合；第一磁性傳感器檢測該外部導(dǎo)線的磁通量，并且響應(yīng)于所 述磁通量產(chǎn)生一第一輸出(電流信號)，該第一輸出指示所述外部導(dǎo)線中的電流大??；一用來對電壓檢測電路和電源輸入導(dǎo)線隔離的外接電容，該外接電容可以用一 RC網(wǎng)絡(luò)替代，以調(diào)整它的帶寬；一連接到放大器或緩沖器兩個輸入端的電阻，該電阻與外接的電容結(jié)合使用形 成一分壓網(wǎng)絡(luò)，該分壓網(wǎng)絡(luò)用以測量負(fù)載兩端的電壓；一對電壓信號和電流信號進(jìn)行采樣并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊；一對所采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊；—用來對第一磁性傳感器輸出的電流信號和第二磁性傳感器輸出的電壓信號采 樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模 塊。優(yōu)選地，磁性傳感器包含MTJ磁性隧道結(jié)器件。優(yōu)選地，磁性傳感器由至少一 MTJ傳感器構(gòu)成。優(yōu)選地，磁性傳感器件、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏 輯模塊與分流電阻線圈、待測網(wǎng)絡(luò)電氣和物理隔離，隔離是通過使用磁耦合和絕緣電介 層來實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地，至少一個磁性傳感器件具有一偏置電壓響應(yīng)特征曲線，該曲線用以控 制傳感器的響應(yīng)的幅值，并用來自動調(diào)整電表傳感器的量程。優(yōu)選地，至少一個磁性傳感器件具有一片上電磁鐵，該電磁鐵用以線性化傳感器響應(yīng)。優(yōu)選地，內(nèi)部屏蔽用以將外部導(dǎo)線產(chǎn)生的磁通量聚集在第一磁性傳感器占據(jù)的 區(qū)域。優(yōu)選地，第一磁性傳感器通過電表傳感器封裝外部的一開槽鐵磁環(huán)與電源導(dǎo)線 磁耦合。優(yōu)選地，在對電表傳感器安裝時，要盡可能的靠近電源導(dǎo)線，以使磁性傳感器 與電源導(dǎo)線所產(chǎn)生磁場的磁耦合。本發(fā)明還提供一種具有一數(shù)字輸出的獨(dú)立封裝的隔離式電表傳感器，其可與其 他類似傳感器相組合以形成一電表，用于測量共用三線單相和商用多相供電系統(tǒng)的能量 消耗。有益效果本發(fā)明主要通過磁場或磁場與電場的組合來感應(yīng)負(fù)載電流和負(fù)載兩端的電壓。 由于磁場和電場的檢測都是與負(fù)載工作的電路電氣隔離，因而在集成電路與供電線路之 間不存在直接的連接。因此，關(guān)鍵的電子元件與供電線路之間相隔離，這極大的增強(qiáng)了 測量系統(tǒng)對供電電壓不穩(wěn)定時出現(xiàn)的瞬變的耐受能力，因而工作更加穩(wěn)定可靠。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案是采用由MTJ傳感器組成的TMR傳感器來測量負(fù)載電流 和負(fù)載兩端的電壓。其中采用MTJ傳感器來檢測電流，而電容電橋或額外MTJ傳感器 與和負(fù)載并聯(lián)的分流電阻線圈組合用于測量負(fù)載兩端的電壓。MTJ傳感器具有比巨磁電 阻(GMR)和各向異性磁電阻(AMR)傳感器大得多的靈敏度和信號幅值，并具有相似的 分辨力。這通過降低需要接口專用集成電路(ASIC)中的微控制器的前端電子元件的成本 而簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，微控制器用以計(jì)算和報(bào)告電能消耗。。本發(fā)明除了能提供電能消耗的電表參數(shù)以外，還具有計(jì)算輸出功率和其它對后 續(xù)應(yīng)用有用的電路參數(shù)的能力。此外，本發(fā)明所述的電表傳感器在與電力線電氣隔離的 情況下，具有將所計(jì)算的參數(shù)與數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行通信的能力。由于它不再需要像傳統(tǒng) 的電表一樣對模擬輸出進(jìn)行電氣隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，這使得電表和整個能量計(jì)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)變得更為簡單。從以上發(fā)明內(nèi)容，結(jié)合隧道磁電阻器件(TMR)本身的特點(diǎn)，可以看出本發(fā)明所 提供的電表傳感器方案和電表傳感器網(wǎng)絡(luò)具有整體成本更低、工作穩(wěn)定性高、測量系統(tǒng) 與待測的供電網(wǎng)絡(luò)電氣隔離的特點(diǎn)。并且，采用TMR器件后，系統(tǒng)的靈敏度高，分辨率 高，前端電路設(shè)計(jì)簡單，并可以提供與后端的電能測量系統(tǒng)匹配的數(shù)據(jù)形式，便于與后 續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)或電路接口。


圖1是采用一對MTJ磁性傳感器件分別測量負(fù)載的電流和負(fù)載兩端電壓的完全 集成式電表傳感器的示意圖。圖2是可用于控制輸出信號幅值的傳感器偏置電壓響應(yīng)曲線圖。圖3是采用片上電磁鐵控制輸出信號幅值的MTJ設(shè)備示意圖。圖4是采用MTJ傳感器件測量負(fù)載電流、采用耦合電容分壓器測量負(fù)載電壓的 完全集成式電表傳感器的示意圖。
圖5是未采用開槽鐵磁環(huán)的測量流過外部導(dǎo)線電流的方法的示意圖。圖6是采用MTJ傳感器件測量流過外部方形導(dǎo)線電流及磁場隨離開外部方形導(dǎo) 線距離而變化的理論曲線圖。圖7是采用MTJ傳感器測量流過負(fù)載的電流、采用耦合電容放大器測量負(fù)載電 壓的電表傳感器的示意圖。圖8反映一種組合多個電表傳感器測量居民單相三線電或商用多相電網(wǎng)絡(luò)電能 消耗的方法。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明所述電表傳感器進(jìn)行更進(jìn)一步的闡述實(shí)施例一見圖1所示的獨(dú)立封裝的電表傳感器18，其中，直流或交流電源輸入1，電表傳 感器18，以及負(fù)載2串聯(lián)。電表傳感器18安置在電源1與負(fù)載2之間，用于測量負(fù)載的 能量消耗。一 MTJ傳感器12緊鄰與負(fù)載2串聯(lián)的內(nèi)部導(dǎo)線3放置，用來測量流過導(dǎo)線3 和負(fù)載2的電流所產(chǎn)生的磁場。MTJ傳感器12與導(dǎo)線3產(chǎn)生的磁場磁耦合。這樣，通過測量流經(jīng)導(dǎo)線3的電 流，可以計(jì)算負(fù)載2的能量消耗。MTJ傳感器12對流經(jīng)導(dǎo)線3的電流所產(chǎn)生的磁場敏 感。一旦感應(yīng)到流過導(dǎo)線3的電流，MTJ傳感器12就輸出一個與電流大小成正比的電 壓，即負(fù)載的電流信號。MTJ傳感器12的輸出電壓經(jīng)多路復(fù)用器13輸入到ADC模數(shù)轉(zhuǎn) 換器14，經(jīng)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字化的數(shù)據(jù)輸入到微處理器15，用于計(jì)算負(fù)載瞬時功率和能量消 耗等電路參數(shù)。另一個輸入到微處理器15的是由MTJ傳感器11所提供的負(fù)載2兩端的電壓信號 V。負(fù)載2兩端的電壓信號是通過測量流過與之并聯(lián)的電壓分流線圈4的電流所產(chǎn)生的磁 場得到。負(fù)載2兩端的電壓除以分流線圈4的阻抗，所得到的就是通過分流線圈4的電 流。因此電壓分流線圈4所產(chǎn)生的磁場的磁通量正比于負(fù)載2兩端的電壓。因此MTJ傳 感器11與分流線圈4的磁場磁耦合，并輸出一個正比于負(fù)載2兩端電壓的電壓信號V。MTJ傳感器11和MTJ傳感器12產(chǎn)生的分別代表負(fù)載2消耗的電流I和電壓V 的信號，可以有很多種方式輸入到微處理器15。通常，在輸入到微處理器15之前，首先 要對MTJ傳感器11和MTJ傳感器12給出的負(fù)載2的電壓V與電流信號I進(jìn)行取樣和通 過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 14進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在成本最低的電表傳感器18的實(shí)施方案中，只采用 一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器14，而MTJ傳感器11和MTJ傳感器12的輸出信號通過一個多路復(fù)用器 13進(jìn)行分時復(fù)用后由同一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器14進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)采樣定律，模數(shù)轉(zhuǎn)換器14對MTJ傳感器11和MTJ傳感器12所輸出的負(fù)載 2的電流和電壓信號的采樣頻率至少要高于電源1的頻率的兩倍。一般來講，如圖1中所 示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器14對MTJ傳感器11和MTJ傳感器12的采樣頻率應(yīng)該高于4倍的電源 輸入1的基本頻率。在實(shí)際工作中，在沒有同步采樣時鐘對MTJ傳感器11和MTJ傳感 器12所輸出的負(fù)載2的電壓和電流信號進(jìn)行采樣的時序控制的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器14對 MTJ傳感器11和MTJ傳感器12的采樣頻率僅僅是電源1的頻率的4倍是不夠的。在沒 有同步時鐘的情況下，一個比較可靠的近似最低頻率應(yīng)是電源1頻率的16倍。因此，在
11采用絕對最小頻率的情況下，如圖18中配置多路復(fù)用器13的模數(shù)轉(zhuǎn)換器14，它的采樣頻 率必須要達(dá)到電源1的頻率的32倍。對于一個高精度的電表傳感器，為了達(dá)到相應(yīng)的國 家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，所采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器14的最低工作頻率是1920Hz。為了適應(yīng)對千瓦_(dá)時電表應(yīng)用，電表傳感器18應(yīng)該具有計(jì)算多種電路參數(shù)的能 力，包括但不限于方均根(RMS，Root Mean Square)電壓、方均根電流、實(shí)時功率、無 功功率、視在功率、功率系數(shù)、諧波失真、負(fù)載阻抗和容差，以及直流電路中的直流電 壓和直流電流等。這些量都可以很容易的從MTJ傳感器11和MTJ傳感器12所提供的電 壓和電流信號中計(jì)算出來。對于通過微處理器15進(jìn)行所需參數(shù)的精確計(jì)算和測量，取決于是否能夠?qū)TJ 傳感器11和MTJ傳感器12的信號波形進(jìn)行合適的縮放?？s放因子根據(jù)信號波形和傳感 器的工作特性確定。為了使電表傳感器18的設(shè)計(jì)簡化，同時提高其精度，可以對MTJ傳感器11和 MTJ傳感器12的輸出進(jìn)行調(diào)整，使輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換器14的最佳輸入范圍相符。有兩種 控制MTJ傳感器響應(yīng)的方法可被應(yīng)用，一種是如圖2所示的，控制MTJ傳感器的偏置電 壓；另一種是如圖3所示，利用閉環(huán)工作的MTJ對導(dǎo)線3和分流線圈4的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。圖2展示了一種作為施加至MTJ傳感器的偏壓的函數(shù)的示例性靈敏度響應(yīng)曲 線。MTJ傳感器在低偏置電壓區(qū)，在固定的磁場值下輸出電壓線性正比于偏置電壓。隨 著偏置電壓的升高，響應(yīng)曲線開始變得非線性。本發(fā)明中，在該設(shè)備能夠計(jì)算出非線性 校準(zhǔn)系數(shù)已知的情況下，線性區(qū)和非線性區(qū)都是有效的。在響應(yīng)曲線已知的情況下，為 了最大化MTJ傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器14的信噪比，可改變MTJ傳感器的的偏壓?？梢允褂?微處理器15來計(jì)算MTJ傳感器的最佳偏置電壓，然后這個電壓可通過導(dǎo)線50和導(dǎo)線51 反饋到MTJ傳感器12和MTJ傳感器11。微處理器15隨后可以按以下方式來縮放MTJ 傳感器的信號波形V = VmtjX α X βI = VmtjX aXb其中乂-是MTJ傳感器的輸出電壓，α是磁場-電壓輸出常數(shù)、β是偏置電 壓常數(shù)，a是磁場-電流常數(shù)，b是偏置電流常數(shù)。圖3展示了一種用于線性化磁場傳感器的輸出的示例性方法，其中向MTJ傳感 器提供一個與所測量磁場方向相反的磁場，通常將其稱為閉環(huán)工作。在這種閉環(huán)方法 中，集成電路芯片上的片上電磁鐵81提供一個與所要測量的待測磁場(Hmeasured) 84方向相 反的反饋磁場(Hfeedbaek)85。在閉環(huán)模式下，通過改變電磁鐵81的電流而使MTJ傳感器 的輸出80保持不變。由于穿過電磁鐵81的電流86正比于補(bǔ)償磁場，而補(bǔ)償磁場等于待 測磁場84，因此，通過電磁鐵81的電流86直接正比于待測磁場84。因此，在這種方法 中，負(fù)載2的電流和輸出電壓可以經(jīng)下式算出V = IpeedbackX α ΗΙΧ β VHI = IpeedbackX α HIX Ych其中V和I分別是負(fù)載2的電壓和電流，Ifeedbaek是反饋電流，α ΗΙ是測量磁場 (Hmeasured)-反饋電流(IFredba。k)系數(shù)，β VH是輸出電壓(V)-測量磁場(Hmeasured)系數(shù)，Ych 是電流⑴-測量磁場(Hmeasured)系數(shù)。
當(dāng)MTJ傳感器用于電壓和電流傳感器時，微處理器15可以很容易的設(shè)計(jì)成提供 合適的校準(zhǔn)參數(shù)，同時控制偏置電壓或反饋電流以使MTJ傳感器的輸出在模數(shù)轉(zhuǎn)換器14 的最佳響應(yīng)區(qū)間范圍內(nèi)，而不用采用增益可變的前置放大器。電表傳感器18旨在提供一個數(shù)字信號以將所測參數(shù)與外部系統(tǒng)通訊，這個外部 系統(tǒng)可以包含一數(shù)據(jù)記錄器、一微處理器，或是其它用于電能計(jì)量的系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)以 上功能，微處理器15的處理后的輸出的參數(shù)必須轉(zhuǎn)換成一種可與離片電子元件兼容的格 式。因此該電表傳感器包括一接口邏輯16，其將所要輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多種可能形式中 的一種，包括但不限于以下標(biāo)準(zhǔn)形式USB、RS-232、I2C或SPI。實(shí)施例二 實(shí)施例二與實(shí)施例一所述的電表傳感器基本相同，區(qū)別在于實(shí)施例一采用電 壓分流線圈測量負(fù)載電壓，而實(shí)施例二采用電阻和耦合電容分壓器來測量負(fù)載電壓。實(shí)施例二中的獨(dú)立封裝的電表傳感器可參照圖4中的標(biāo)號18所示。它采用電阻_耦合電容分壓器40和緩沖放大器41來實(shí)現(xiàn)負(fù)載2電壓的測量。這 種設(shè)計(jì)可以降低電表傳感器18的制造成本，同時允許在使用時由用戶選擇合適的外部電 容40對電壓波形進(jìn)行濾波，從而消除供電線路中的干擾信號和噪聲。圖4中的這種布置 最適合于交流能耗測量，因?yàn)樵诮涣髑闆r下，可以對帶寬以外的電壓信號進(jìn)行濾除。在 這種布置當(dāng)中，耦合電容分壓器40在電表傳感器18的外部。這樣就可以通過選擇不同 的電容來設(shè)置電壓波形的截止頻率。另外，一個電容-阻抗(RC)網(wǎng)絡(luò)可以用來限制連接 到微處理器15的電壓波形中的上限頻率和下限頻率，從而可以代替需要外接的電容40。實(shí)施例三如圖5、圖6所示，由于負(fù)載電流對導(dǎo)線最小幾何尺寸的限制，將供電導(dǎo)線3置 于電表傳感器18封裝內(nèi)部通常是不現(xiàn)實(shí)的。在這種情況下，通常將電表傳感器18安置 在距離外部導(dǎo)線5最近的位置上。電表傳感器18的第一磁性傳感器17可與外部導(dǎo)線5 產(chǎn)生的磁場磁耦合。磁耦合可以通過將外部導(dǎo)線穿過一個開口鐵磁環(huán)20，并將電表傳感 器置于開口鐵磁環(huán)20的開口槽中來達(dá)成。選擇性地，可以將電表傳感器緊靠于載流匯流 排的一側(cè)面放置。此布置示意性地圖示于圖6中。此處，電表傳感器18放置在絕緣層 105的正上方。絕緣層105可以將電表傳感器18和電源導(dǎo)線5隔離開來。流過外部導(dǎo) 線5的電流102隨后產(chǎn)生一磁場103，磁場103由電表傳感器18中的MTJ傳感器12來檢 測。將電表傳感器置于一個方形導(dǎo)線正上方的磁場分布的標(biāo)準(zhǔn)方程如下式所示
權(quán)利要求
1.一種獨(dú)立封裝的電表傳感器(18)，其用以測量連接在導(dǎo)線(3)上的負(fù)載(2)的能量 消耗，其特征在于包括一內(nèi)部導(dǎo)線(3)，其串聯(lián)在電源(1)與負(fù)載(2)之間；一內(nèi)部電阻性電壓分流線圈(4)，其串聯(lián)在內(nèi)部電源導(dǎo)線(3)和外部地線或中性接頭 之間；第一磁性傳感器(12)，其緊鄰內(nèi)部導(dǎo)線(3)設(shè)置并與流過該導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁 場磁耦合，第一磁性傳感器測量環(huán)繞著該導(dǎo)線的磁通量，并且產(chǎn)生響應(yīng)于該磁通量的一 第一輸出，該第一輸出指示導(dǎo)線中的電流量⑴；第二磁性傳感器(11)，其緊靠與負(fù)載(2)并聯(lián)的電壓分流線圈(4)設(shè)置，并與流經(jīng)該 電壓分流線圈電流的磁場磁耦合，第二磁性傳感器(11)檢測通過電壓分流線圈的電流， 并提供響應(yīng)于該電流的一第二輸出，該第二輸出指示負(fù)載(2)兩端的電壓(V)；一采樣模塊(14)，用于對電壓信號(V)和電流信號⑴進(jìn)行采樣并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù) 字形式；一數(shù)據(jù)處理模塊(15)，其對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；一用來對第一磁性傳感器(12)輸出的電流信號⑴和第二磁性傳感器(11)輸出的電 壓信號(V)采樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器(13)；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模塊 (16)。
2.如權(quán)利要求1所述的電表傳感器(18)，其特征是第一磁場傳感器(12)和第二磁 場傳感器(11)包含磁性隧道結(jié)傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的電表傳感器(18)，其特征是第一磁性傳感器(12)、第二磁 性傳感器(11)、采樣模塊(14)、數(shù)據(jù)處理模塊(15)以及通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏輯模塊 (16)與分流電阻線圈(4)、待測網(wǎng)絡(luò)電氣和物理隔離，隔離是通過使用磁耦合和絕緣電 介層來實(shí)現(xiàn)的。
4.如權(quán)利要求1所述的電表傳感器(18)，其特征是第一磁性傳感器(12)和第二磁 性傳器(11)分別包含至少一個MTJ傳感器。
5.如權(quán)利要求4所述的電表傳感器(18)，其特征是至少有一個磁性傳感器(11、 12)具有一偏置電壓響應(yīng)特征曲線，該曲線被用來控制傳感器響應(yīng)的幅值，并用來自動調(diào) 整電表傳感器的量程。
6.如權(quán)利要求4所述的電表傳感器(18)，其特征是至少有一個磁性傳感器具有一 個片上電磁鐵，用來線性化傳感器響應(yīng)。
7.—種獨(dú)立封裝的電表傳感器(18)，用來測量連接在導(dǎo)線(3)上的負(fù)載(2)的能量消 耗，其特征在于包括一內(nèi)部導(dǎo)線(3)，其串聯(lián)在電源輸入(1)與負(fù)載(2)之間；一用來對電壓檢測電路和電源輸入導(dǎo)線相隔離的外接電容(40)，該外接電容可以用 一 RC網(wǎng)絡(luò)替代，以調(diào)整線路帶寬；一磁性傳感器(12)，其緊鄰內(nèi)部導(dǎo)線設(shè)置并與流過該導(dǎo)線的電流關(guān)聯(lián)的磁場磁耦 合；該磁性傳感器檢測環(huán)繞著內(nèi)部導(dǎo)線(3)的磁通量，并產(chǎn)生響應(yīng)于該磁通量的一第一 輸出，該第一輸出指示內(nèi)部導(dǎo)線(3)中的電流大小；一連接到放大器或是緩沖器兩個輸入端的電阻(21)，該電阻與外接的電容(40)結(jié)合 使用而構(gòu)成一分壓網(wǎng)絡(luò)，該分壓網(wǎng)絡(luò)用來測量負(fù)載兩端的電；一對電壓信號(V)和電流信號⑴進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊(14)； 一對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊(15)；一對磁性傳感器輸出的電流信號⑴和由內(nèi)部電阻(21)和外接電容(40)構(gòu)成的分壓 網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓信號(V)采樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器(13)；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模塊 (16)。
8.如權(quán)利要求7所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器(12)包括至少一個 磁性隧道結(jié)(MTJ)器件。
9.如權(quán)利要求7所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器(12)、采樣模塊 (14)、數(shù)據(jù)處理模塊(15)以及通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏輯模塊(16)與電源導(dǎo)線(1)電氣和 物理隔離，電氣隔離通過使用磁耦合、絕緣層和外部的電容實(shí)現(xiàn)。
10.如權(quán)利要求9所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器(12)具有一偏置電 壓響應(yīng)特征曲線，用來控制傳感器的響應(yīng)的幅值，并用來自動調(diào)整電表傳感器的量程。
11.如權(quán)利要求9所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器(12)具有一片上 電磁鐵，用來線性化傳感器響應(yīng)。
12.—種獨(dú)立封裝的電表傳感器(18)，用來測量連接在導(dǎo)線(5)上的負(fù)載(2)的能量 消耗，其特征在于包括一外部導(dǎo)線(5)，其串聯(lián)在電源導(dǎo)線(1)與負(fù)載(2)之間；； 一內(nèi)部阻性電壓分流線圈(4)，其串聯(lián)在內(nèi)部電源導(dǎo)線(1)和外部地線或供電系統(tǒng)的 中性端之間，該電壓分流線圈(4)與負(fù)載(2)并聯(lián)；一第一磁性傳感器(17)，其安裝在電表傳感器(18)封裝內(nèi)部，使得它能與流過外部 導(dǎo)線(5)的電流所產(chǎn)生的磁場磁耦合；第一磁性傳感器(17)檢測與該外部導(dǎo)線關(guān)聯(lián)的磁 通量，并且響應(yīng)于該磁通量產(chǎn)生一第一輸出(I，電流信號)，該第一輸出指示所述外部導(dǎo) 線中的電流大??；一第二磁性傳感器(11)，其緊靠與負(fù)載(2)并聯(lián)的電壓分流線圈(4)設(shè)置，并與流 經(jīng)該電壓分流線圈(4)的電流產(chǎn)生的磁場磁耦合，第二磁性傳感器(11)檢測通過電壓分 流線圈的電流，并響應(yīng)該電流而輸出一個電壓信號(V)，該電壓信號指示負(fù)載兩端的電 壓；一內(nèi)部的高磁導(dǎo)率屏蔽結(jié)構(gòu)(30)，其用來將第二磁性傳感器件(11)屏蔽于外部導(dǎo)線 (5)所產(chǎn)生的磁場，該屏蔽結(jié)構(gòu)離第一磁性傳感器(17)足夠遠(yuǎn)，而且并不會對第一磁性 傳感器(17)感應(yīng)外部電源導(dǎo)線(5)的磁場產(chǎn)生明顯影響；一采樣模塊(14)，其對電壓信號(V)和電流信號⑴進(jìn)行采樣并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字 形式；一對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊(15)；一用來對第一磁性傳感器(17)輸出的電流信號⑴和第二磁性傳感器輸出的電壓信 號(V)采樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器(13)；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模塊(16)。
13.如權(quán)利要求12所述的電表傳感器(18)，其特征是第一磁性傳感器(17)和第二 磁性傳感器(11)包含MTJ磁性隧道結(jié)器件。
14.如權(quán)利要求12所述的電表傳感器(18)，其特征是第一磁性傳感器(12)、第 二磁性傳感器(11)、采樣模塊(14)、數(shù)據(jù)處理模塊(15)和通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏輯模 塊(16)與電壓分流線圈(4)、電源線電氣和物理隔離，隔離是通過使用絕緣電介層實(shí)現(xiàn) 的。
15.如權(quán)利要求12所述的電表傳感器(18)，其特征是第一磁性傳感器(17)和第二 磁性傳感器(11)各包含至少一個MTJ傳感器。
16.如權(quán)利要求15所述的電表傳感器(18)，其特征是至少一個磁性傳感器件具有 一偏置電壓響應(yīng)特征曲線，該曲線被用來控制傳感器的響應(yīng)的幅值。
17.如權(quán)利要求15所述的電表傳感器(18)，其特征是至少一個磁性傳感器件具有 一片上電磁鐵，該電磁鐵用來線性化傳感器響應(yīng)，并用來自動調(diào)整電表傳感器的量程。
18.如權(quán)利要求15所述的電表傳感器(18)，其特征是內(nèi)部的屏蔽結(jié)構(gòu)(30)用來對 流過電源導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行聚磁，使磁場的大小達(dá)到與第二磁性傳感器的最 佳磁場范圍耦合。
19.如權(quán)利要求12所述的電表傳感器，其特征是第一磁性傳感器通過設(shè)備封裝外 部的一開槽鐵磁環(huán)(20)與電源導(dǎo)線(5)磁耦合。
20.如權(quán)利要求12所述的電表傳感器(18)，其特征是通過將所述電表傳感器(18) 安裝時盡可能的靠近一電源導(dǎo)線(5)，使第一磁性傳感器(17)與電源導(dǎo)線(5)所產(chǎn)生的磁 場磁耦合。
21.—種獨(dú)立封裝的電表傳感器(18)，其用于測量連接在一外部導(dǎo)線(5)上的負(fù)載 (2)的能量消耗，其特征在于包含一串聯(lián)在電源輸入⑴與負(fù)載⑵之間的外部導(dǎo)線；一第一磁性傳感器(17)，其設(shè)置在電表傳感器(18)封裝內(nèi)部，以使得它能夠與流過 外部導(dǎo)線(5)的電流所產(chǎn)生的磁場磁耦合，所述第一磁性傳感器(17)檢測該外部導(dǎo)線的 磁通量，并且響應(yīng)于該磁通量產(chǎn)生一第一輸出(I，電流信號)，該第一輸出指示所述外部 導(dǎo)線中的電流大?。灰挥脕韺﹄妷簷z測電路和電源輸入導(dǎo)線相隔離的外接電容(40)，該外接電容可以用 一 RC網(wǎng)絡(luò)替代，以調(diào)整線路帶寬；一內(nèi)部電阻(21)，其連接到放大器或緩沖器(41)兩個輸入端，該內(nèi)部電阻(21)與外 接電容(40)結(jié)合使用構(gòu)成一分壓網(wǎng)絡(luò)，用來測量負(fù)載(2)兩端的電壓；一對電壓信號(V)和電流信號⑴進(jìn)行采樣并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊 (14)；一對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊(15)；一用來對第一磁性傳感器(17)輸出的電流信號⑴和內(nèi)部電阻(21)與外接電容 (40)結(jié)合使用構(gòu)成一分壓網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓信號(V)采樣時間進(jìn)行分時復(fù)用的多路復(fù)用器 (13)；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模塊(16)。
22.如權(quán)利要求21所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器(17)包含至少一 個MTJ傳感器。
23.如權(quán)利要求21所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器(17)、采樣模塊 (14)、數(shù)據(jù)處理模塊(15)以及通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口邏輯模塊(16)與分壓網(wǎng)絡(luò)、待測網(wǎng)絡(luò) 電氣和物理隔離，隔離通過使用一外部電容和絕緣電來實(shí)現(xiàn)。
24.如權(quán)利要求23所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器件具有一偏置電 壓響應(yīng)特征曲線，該曲線被用來控制傳感器的響應(yīng)的幅值。
25.如權(quán)利要求23所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器具有一個片上電磁 鐵，該電磁鐵用以線性化傳感器響應(yīng)。
26.如權(quán)利要求21所述的電表傳感器(18)，其特征是磁性傳感器(17)通過設(shè)備封 裝外部的一開槽鐵磁環(huán)(20)與電源導(dǎo)線(5)的磁場磁耦合。
27.如權(quán)利要求21所述的電表傳感器(18)，其特征是將電表傳感器安裝時盡可能 的靠近外部電源導(dǎo)線(5)，使磁性傳感器(17)與外部電源導(dǎo)線(5)所產(chǎn)生磁場磁耦合。
28.—種具有一數(shù)字輸出的獨(dú)立封裝的隔離式電表傳感器，其特征在于所述傳感器 可與其他類似傳感器相組合以形成一電表，用于測量共用三線單相和商用多相供電系統(tǒng) 的電量消耗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量連接于導(dǎo)電體的負(fù)載的能量消耗的電表傳感器。該電表傳感器通過單獨(dú)使用磁性傳感器或使用磁性傳感器與電容的組合，實(shí)現(xiàn)了在傳感器與供電導(dǎo)線電氣隔離情況下的負(fù)載電能消耗的測量。通過測量負(fù)載兩端的電壓和導(dǎo)線中的電流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的瞬時功率和其它所需參數(shù)的實(shí)時測量。電流是通過磁性傳感器檢測與流過導(dǎo)線的電流關(guān)聯(lián)的磁場來測量的。電壓的測量有兩種可行的方式，一是磁性傳感器測量與負(fù)載并聯(lián)的分流電阻線圈中的電流，二是通過應(yīng)用與負(fù)載并聯(lián)的耦合電容分壓器來測量。此外，本發(fā)明還公開了一種能控制傳感器的偏置電流以自動調(diào)整量程和計(jì)算所需參數(shù)(例如，電能消耗)的專用集成電路。
文檔編號G01R11/00GK102023244SQ20101051894
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者沈衛(wèi)鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西 申請人:江蘇多維科技有限公司