本發(fā)明屬于電流傳感器，具體涉及一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器及方法。

背景技術(shù)：

1、電流傳感器在電力系統(tǒng)、能源管理和電子設(shè)備中扮演著重要角色，廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多個領(lǐng)域。目前，市場對低成本和小型化的電流傳感器有著巨大的需求，尤其是在對尺寸、重量和測量精度有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中。基于磁傳感器的電流傳感器由于其能夠同時測量交流電和直流電的通用性、非接觸檢測的便捷性，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

2、當(dāng)前有多種基于磁場效應(yīng)的電流傳感器，例如霍爾效應(yīng)電流傳感器、磁通門電流傳感器和隧道磁阻(tmr)電流傳感器，其中，tmr傳感器因其具備高精度和小型化的特點，引起了廣泛關(guān)注。這些傳感器通過測量由電流產(chǎn)生的磁場，來間接確定電流的大小。目前，tmr電流傳感器的主要結(jié)構(gòu)分為帶磁環(huán)和無磁環(huán)兩種。帶磁環(huán)的tmr電流傳感器存在磁芯飽和、測量范圍有限和體積大的問題。而當(dāng)前多數(shù)無磁環(huán)結(jié)構(gòu)的tmr電流傳感器，是通過環(huán)形陣列分布傳感器芯片來提取電流信號，然后對每個芯片的輸出信號進(jìn)行算法處理，進(jìn)而得出被測電流值。這種無磁環(huán)的陣列型tmr電流傳感器一般適用于大電流的測量，需要搭配相應(yīng)的信號處理算法進(jìn)行使用，對于ma及以下級別的小電流測量來說，其測量精度相對較低。

3、現(xiàn)有的多數(shù)tmr電流傳感器在測量小電流時，其固有的靈敏度和磁場分辨率使其易受外部磁場干擾，尤其是地磁場的干擾。因此，消除地磁場的干擾對于使用tmr電流傳感器實現(xiàn)高精度的小電流測量至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器及方法，包括tmr傳感器芯片、初步信號處理電路、加減法運算電路、地磁場反饋電路、失調(diào)補(bǔ)償電路和最終信號處理電路；初步信號處理電路用于對tmr傳感器芯片的輸出電壓進(jìn)行初步處理；加減法運算電路用于對初步信號處理電路輸出的電壓信號進(jìn)行加減運算；地磁場反饋電路用于根據(jù)加減法運算電路的加法運算輸出進(jìn)行地磁場信號的抵消；失調(diào)補(bǔ)償電路用于根據(jù)初步信號處理電路的輸出進(jìn)行零位漂移補(bǔ)償；最終信號處理電路用于對加減法運算電路的減法運算輸出的最終信號進(jìn)行信號處理，并最后進(jìn)行輸出。本發(fā)明的無磁環(huán)設(shè)計使得傳感器體積更小，重量更輕，并且不存在磁芯飽和、測量范圍有限的問題。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，包括tmr傳感器芯片、初步信號處理電路、加減法運算電路、地磁場反饋電路、失調(diào)補(bǔ)償電路和最終信號處理電路；

4、所述tmr傳感器芯片包括tmr1和tmr2兩個同型號的tmr傳感器芯片；

5、所述初步信號處理電路用于對tmr傳感器芯片的輸出電壓進(jìn)行初步處理；

6、所述加減法運算電路用于對初步信號處理電路輸出的電壓信號進(jìn)行加減運算；

7、所述地磁場反饋電路用于根據(jù)加減法運算電路的加法運算輸出進(jìn)行地磁場信號的抵消；

8、所述失調(diào)補(bǔ)償電路用于根據(jù)初步信號處理電路的輸出進(jìn)行零位漂移補(bǔ)償；

9、所述最終信號處理電路用于對加減法運算電路的減法運算輸出的最終信號進(jìn)行信號處理，并最后進(jìn)行輸出。

10、進(jìn)一步的，所述初步信號處理電路包括信號處理電路1和信號處理電路2，所述信號處理電路1和所述信號處理電路2采用相同結(jié)構(gòu)，包括濾波電路和儀表放大器電路。

11、進(jìn)一步的，所述加減法運算電路包括加法運算電路和減法運算電路。

12、進(jìn)一步的，所述地磁場反饋電路包括積分器電路和反饋線圈；所述反饋線圈包括相同匝數(shù)和相同繞制方向的第一反饋線圈和第二反饋線圈；所述積分器電路的輸出端與第一反饋線圈的始端相連；所述第一反饋線圈的末端與第二反饋線圈的始端相連；所述第二反饋線圈的末端與反饋電阻相連再連接至地。

13、進(jìn)一步的，所述tmr1放置于第一反饋線圈內(nèi)部軸心位置，所述tmr2放置于第二反饋線圈內(nèi)部軸心位置，所述第一反饋線圈與第二反饋線圈以待測電流為中心對稱放置。

14、進(jìn)一步的，所述失調(diào)補(bǔ)償電路包括電位器及電壓跟隨器電路。

15、進(jìn)一步的，所述最終信號處理電路包括信號處理電路3，所述信號處理電路3包括濾波電路和比例運算電路。

16、一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器檢測方法，包括以下步驟：

17、步驟1：基于tmr傳感器芯片采集待測電流的磁場并轉(zhuǎn)化為輸出電壓；

18、步驟2：通過失調(diào)補(bǔ)償電路和初步信號處理電路完成零位漂移補(bǔ)償和芯片輸出誤差校準(zhǔn)；

19、步驟3：利用加減法運算電路進(jìn)行地磁場信號和有用信號的分離；

20、步驟4：利用地磁場反饋電路中的反饋線圈產(chǎn)生的反饋磁場，對tmr傳感器芯片處的地磁場進(jìn)行抵消；

21、步驟5：利用最終信號處理電路，對加減法運算電路的減法運算輸出的最終信號進(jìn)行信號處理，并最后進(jìn)行輸出。

22、進(jìn)一步的，所述消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器的零位漂移補(bǔ)償和芯片輸出誤差校準(zhǔn)需定期進(jìn)行；

23、進(jìn)一步地，所述消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器中，在待測電流線通入待測電流之前，通過失調(diào)補(bǔ)償電路對信號處理電路1中儀表放大器電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)對tmr1的零位漂移補(bǔ)償，通過失調(diào)補(bǔ)償電路對信號處理電路2中儀表放大器電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)對tmr2的零位漂移補(bǔ)償；

24、在通入待測電流后，再通過調(diào)整信號處理電路1和信號處理電路2中儀表放大器電路的放大電阻的阻值，使信號處理電路1和信號處理電路2的輸出相等，實現(xiàn)芯片輸出誤差校準(zhǔn)。

25、本發(fā)明的有益效果如下：

26、本發(fā)明通過兩個tmr芯片對稱分布于待測電流兩側(cè)實現(xiàn)磁場信號的采集，再使用加減法運算電路實現(xiàn)地磁場信號和有用信號的分離，再通過積分器和反饋線圈對tmr傳感器芯片處的地磁場信號進(jìn)行抵消，從而實現(xiàn)地磁場零磁通，僅有待測電流磁場的精確測量。相比于帶磁環(huán)的tmr電流傳感器，本發(fā)明的無磁環(huán)設(shè)計使得傳感器體積更小，重量更輕，并且不存在磁芯飽和、測量范圍有限的問題；相比于無磁環(huán)的陣列型tmr電流傳感器，本發(fā)明對ma級別的小電流測量精度更高，并且只使用了兩個tmr芯片，制造成本更低，結(jié)構(gòu)簡單，易于批量生產(chǎn)和應(yīng)用推廣。

技術(shù)特征：

1.一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，其特征在于，包括tmr傳感器芯片、初步信號處理電路、加減法運算電路、地磁場反饋電路、失調(diào)補(bǔ)償電路和最終信號處理電路；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，其特征在于，所述初步信號處理電路包括信號處理電路1和信號處理電路2，所述信號處理電路1和所述信號處理電路2采用相同結(jié)構(gòu)，包括濾波電路和儀表放大器電路。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，其特征在于，所述加減法運算電路包括加法運算電路和減法運算電路。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，其特征在于，所述地磁場反饋電路包括積分器電路和反饋線圈；所述反饋線圈包括相同匝數(shù)和相同繞制方向的第一反饋線圈和第二反饋線圈；所述積分器電路的輸出端與第一反饋線圈的始端相連；所述第一反饋線圈的末端與第二反饋線圈的始端相連；所述第二反饋線圈的末端與反饋電阻相連再連接至地。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，其特征在于，所述tmr1放置于第一反饋線圈內(nèi)部軸心位置，所述tmr2放置于第二反饋線圈內(nèi)部軸心位置，所述第一反饋線圈與第二反饋線圈以待測電流為中心對稱放置。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，其特征在于，所述失調(diào)補(bǔ)償電路包括電位器及電壓跟隨器電路。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器，其特征在于，所述最終信號處理電路包括信號處理電路3，所述信號處理電路3包括濾波電路和比例運算電路。

8.一種采用如權(quán)利要求1所述無磁環(huán)tmr電流傳感器的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種檢測方法，其特征在于，所述消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器的零位漂移補(bǔ)償和芯片輸出誤差校準(zhǔn)需定期進(jìn)行。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種檢測方法，其特征在于，所述消除地磁場影響的無磁環(huán)tmr電流傳感器中，在待測電流線通入待測電流之前，通過失調(diào)補(bǔ)償電路對信號處理電路1中儀表放大器電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)對tmr1的零位漂移補(bǔ)償，通過失調(diào)補(bǔ)償電路對信號處理電路2中儀表放大器電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)對tmr2的零位漂移補(bǔ)償；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種消除地磁場影響的無磁環(huán)TMR電流傳感器及方法，包括TMR傳感器芯片、初步信號處理電路、加減法運算電路、地磁場反饋電路、失調(diào)補(bǔ)償電路和最終信號處理電路；初步信號處理電路用于對TMR傳感器芯片的輸出電壓進(jìn)行初步處理；加減法運算電路用于對初步信號處理電路輸出的電壓信號進(jìn)行加減運算；地磁場反饋電路用于根據(jù)加減法運算電路的加法運算輸出進(jìn)行地磁場信號的抵消；失調(diào)補(bǔ)償電路用于根據(jù)初步信號處理電路的輸出進(jìn)行零位漂移補(bǔ)償；最終信號處理電路用于對加減法運算電路的減法運算輸出的最終信號進(jìn)行信號處理，并最后進(jìn)行輸出。本發(fā)明的無磁環(huán)設(shè)計使得傳感器體積更小，重量更輕，并且不存在磁芯飽和、測量范圍有限的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：高楚涵,李桂芳,鄒靜,彭飛揚,杜永乾,劉詩斌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9