智能巨磁阻直流電流傳感器設(shè)計

李嘉鴻+白茹+朱華辰+林鈺恒+錢正洪

摘 要：自旋閥巨磁阻傳感器具有靈敏度高、線性度好、體積小等優(yōu)點，在直流測量中具有極大的潛力。文中基于巨磁阻傳感器設(shè)計了一款智能電流傳感器，實現(xiàn)了對直流電的非接觸測量和遠程監(jiān)控，可運用在智能電網(wǎng)、智能電表等場合中。該設(shè)計由巨磁阻電流傳感器和ZigBee智能無線傳輸模塊構(gòu)成。實驗表明，該智能電流傳感器的測量范圍為0～5 A，靈敏度為104.5mV/A，線性度為0.05%，總體性能優(yōu)于常見的霍爾電流傳感器。

關(guān)鍵詞：自旋閥；巨磁阻；電流傳感器；霍爾；智能

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-04

0 引 言

電流傳感器[1]在電力電子應(yīng)用方面主要起測量、保護和監(jiān)控的作用，根據(jù)其測量原理分為直接式和間接式兩類。直接式測量根據(jù)電流通過電阻時在電阻兩端產(chǎn)生的壓降來確定被測電流的大小，如分流器就采用這種原理來測量直流。分流器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、不受外磁場干擾、性能穩(wěn)定可靠，但缺點是需要接入電路中，且由于分流的材料一般是合金，因此在測量大電流時會產(chǎn)生大量熱量；間接式測量則通過測量被測電流產(chǎn)生的磁場，間接測量被測電流的大小。屬于間接式測量的主要有電流互感器[2]、羅氏線圈電流傳感器[3]、霍爾電流傳器[4]、光纖電流傳感器[5，6]、巨磁阻電流傳感器等[7]。羅氏線圈通過測量磁通勢來確定被測電流的大小，由于線圈不含磁性材料，沒有磁滯效應(yīng)和磁飽和現(xiàn)象，但存在靈敏度低、頻帶較窄等問題[8]。霍爾電流傳感器主要根據(jù)載流半導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生的霍爾電勢間接測量，但溫度對其影響較大，導(dǎo)致精度較低。光纖電流傳感器通過測量偏振光在磁場中偏轉(zhuǎn)的角度來檢測電流大小，因采用光纖作為傳感介質(zhì)，故在絕緣性、抗電磁干擾、可靠性等方面優(yōu)勢明顯，但易受振動干擾[9]。間接式測量相比直接式測量具有精度更高、線性度更好的特點，是目前電流傳感器研究的主要方向。

物聯(lián)網(wǎng)的興起，表明智能傳感器是當(dāng)今傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向，傳統(tǒng)的電流傳感器已無法完全滿足市場的需要。在電流檢測方面，巨磁阻傳感器[10]與其他類型的傳感器相比，具有能夠測量直流高頻（MHz量級）電流信號、測量范圍寬、靈敏度高和體積小等優(yōu)點，尤其是巨磁阻傳感器能夠測量直流電流，對于直流輸電系統(tǒng)中直流的檢測極為有利[11，12]。本文基于巨磁阻傳感器靈敏度高、溫漂小和ZigBee在組網(wǎng)、無線傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢提出了一種智能直流電流傳感器設(shè)計方案，彌補了傳統(tǒng)電流傳感器在靈敏度、溫度穩(wěn)定性、遠程監(jiān)測等方面的不足。

1 智能電流傳感器設(shè)計框架

智能電流傳感器分為巨磁阻電流傳感器和ZigBee智能傳輸模塊，其工作原理圖如圖1所示。巨磁阻電流傳感器負責(zé)將被測電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，其反饋電阻與智能無線傳輸模塊的監(jiān)測節(jié)點相連；監(jiān)測節(jié)點主要采集巨磁阻電流傳感器的反饋電阻兩端電壓，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，待轉(zhuǎn)化完成后，通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器與計算機通過串口連接，將收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給計算機，并在計算機上顯示出來。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了電流的非接觸測量和遠程監(jiān)控功能。

2 智能電流傳感器電路設(shè)計

智能無線傳輸模塊采用的ZigBee芯片是CC2530[13，14]，其電路主要由晶振電路、電源電路、RF電路等構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)較為常見。巨磁阻電流傳感器分為如下四部分：

（1）巨磁阻傳感器及磁芯將傳感器感應(yīng)的磁場轉(zhuǎn)換為電壓信號；

（2）放大電路將微弱的傳感器輸出電壓信號進行放大；

（3）功率放大電路將放大后的電壓信號進一步放大并提供反饋電流；

（4）反饋電路利用磁平衡原理，被測電流產(chǎn)生的磁場通過反饋電流進行補償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。巨磁阻電流傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 巨磁阻電流傳感器結(jié)構(gòu)圖

電流傳感器的工作電壓為±12 V，由穩(wěn)壓電源提供。VA100F3[15，16]是一款自旋閥材料的巨磁阻芯片，將VA100F3放在開有氣隙的磁環(huán)的氣隙里，并用膠水加以固定（巨磁阻傳感器與磁環(huán)的相對位置不能改變，否則會影響傳感器輸出電壓的大小）。巨磁阻傳感器的差分輸出信號接到儀表放大器AD620的差分輸入引腳。放大器的增益可以通過1腳和8腳之間的電位器進行控制。儀表放大器的輸出信號接至功率放大器LM3886TF，功率放大器的輸出接反饋線圈，該反饋線圈繞在磁環(huán)上，在反饋線圈的末端接一個10 Ω的反饋電阻并接地，通過測量反饋電阻兩端的電壓，計算反饋線圈中的電流，進而推算出穿過磁環(huán)的被測電流的大小。電流傳感器電路圖如圖3所示。

2.1 巨磁阻傳感器

設(shè)計中選擇VA100F3型巨磁阻傳感器，采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)[17]，具有測量范圍寬、靈敏度高、磁滯小、溫漂低和線性度好等特點。巨磁阻芯片特性曲線如圖4所示，輸出電壓范圍為-60～60 mV，封裝為TO94，該封裝放入磁環(huán)氣隙中占位置比較小。VA100F3采用電壓供電，工作電壓為±5V，±5 V的電壓由±12 V的電壓經(jīng)LM7805和LM7905電源芯片得到。VA100F3的1腳和3腳是控制輸入端，2腳和4腳為電壓輸出端。巨磁阻傳感器可將磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。傳感器輸出電壓為：

VH=KHB （1）

式中，KH為巨磁阻傳感器的靈敏度，單位為mV/mT；B為磁感應(yīng)強度，單位為mT。從圖4中可以得到KH的取值范圍。

圖4 巨磁阻芯片特性曲線

在本設(shè)計中，將巨磁阻傳感器放進開有氣隙的磁環(huán)的氣隙里，并將傳感器和磁環(huán)固定，以獲得穩(wěn)定的輸出電壓信號。磁場B的大小根據(jù)安培環(huán)路定律得：

（2）

其中，l為路徑長度；N為路徑包圍的通電導(dǎo)線的匝數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；I為通過的電流。

根據(jù)安培回路定律，被測導(dǎo)線和磁場的關(guān)系為：

（3）

式中，H1表示磁環(huán)內(nèi)的磁場強度；H2表示氣隙的磁場強度；r0為平均半徑，r0=（r+R）/2；I0為被測電流；磁環(huán)氣隙寬度為d。由式（3）得：

（4）

由于磁環(huán)磁導(dǎo)率μ遠大于真空磁導(dǎo)率μ0，上式可以簡化為：

（5）

設(shè)N=1，代入式（1）可得：

（6）

由式（6）可知，輸出電壓與被測導(dǎo)線的電流成正比，而且磁環(huán)氣隙越小，巨磁阻傳感器輸出電壓越大，因此在設(shè)計時磁環(huán)氣隙應(yīng)以卡住傳感器為宜。

2.2 放大電路

由巨磁阻傳感器將磁環(huán)收集到的磁場轉(zhuǎn)化為弱電壓信號，輸出一般為幾十毫伏，需對其進行放大。文中采用AD620儀表放大器，通過改變電阻來改變放大倍數(shù)（1～1000）。AD620的1腳和8腳跨接1個10 kΩ電位器S1和1個75Ω的電阻R1來調(diào)整放大倍數(shù)。如果需要改變放大倍數(shù)，則可以調(diào)節(jié)S1。AD620的引腳4和7分別接-5 V和+5 V的工作電壓，并各自接有0.01 μF的旁路電容至地，用來過濾交流成分，使輸出更平滑；輸入引腳3和2分別接巨磁阻傳感器的引腳4和2；引腳6輸出放大后的電壓值；引腳5為參考電壓，一般接地，在設(shè)計中接了一個可調(diào)電壓，可通過調(diào)整電位器S2的電壓來改變參考電壓。由于巨磁阻傳感器靈敏度較高，環(huán)境中的磁場干擾對其影響比較嚴(yán)重，在被測電流為零時，巨磁阻傳感器會有一個輸出，該輸出可通過調(diào)節(jié)S2來改善。AD620的輸出電壓V0與輸入電壓V1、V2的關(guān)系如式（7）所示：

（7）

具體改善零點漂移的方法是：在測試開始之前，如果V0不等于零，則通過調(diào)節(jié)S2改變VREF的大小使得V0為零。該方式理論上可以完全消除零點漂移，但實際操作時受電位器的精度影響，能明顯改善零點漂移狀況。

2.3 功率放大電路

巨磁阻傳感器的輸出電壓信號經(jīng)儀表放大器之后的輸出不足以驅(qū)動次級線圈的負載，此時需加一個功率放大器進行放大，使反饋電路能夠正常工作。設(shè)計中采用的功率放大器為LM3886TF，LM886TF的引腳10和引腳9是信號輸入引腳，引腳10與AD620的輸出信號相連，引腳9接地，9腳和10腳接一個電容，與R9形成低通濾波，消除輸入的殘余高頻，使輸入信號更加光滑，減小功率放大器的不必要功耗，同時還可以消除電路自激；引腳1和引腳5分別接+24 V和-24 V工作電壓。引腳8為mute腳，接低電平表示為靜音狀態(tài)。引腳3為功率放大器的輸出引腳，最大輸出電流為400 mA，與反饋電阻相連。

2.4 反饋電路

反饋電路主要由反饋線圈和反饋電阻構(gòu)成，以平衡被測電流產(chǎn)生的磁場。平衡磁場的原理為：被測電流通過磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場，由反饋線圈的電流進行補償，使磁環(huán)始終處于零磁通工作狀態(tài)。當(dāng)被測電流通過磁環(huán)，反饋電流尚未形成時，巨磁阻傳感器感應(yīng)到磁場產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)放大級放大后，推動驅(qū)動級產(chǎn)生反饋電流，由于反饋線圈的存在，反饋電流不會發(fā)生突變，而是逐漸上升，反饋電流產(chǎn)生的磁場補償了部分被測電流產(chǎn)生的磁場。因此，巨磁阻傳感器輸出降低，反饋電流上升減慢。當(dāng)反饋電流產(chǎn)生的磁場完全補償了被測電流產(chǎn)生的磁場時，磁環(huán)磁場為零，巨磁阻傳感器輸出為零。 但由于線圈的緣故，反饋電流還會上升，補償過沖，巨磁阻傳感器輸出發(fā)生變化，反饋電流減小，如此反復(fù)在平衡點附近振蕩?？梢酝ㄟ^測量反饋電阻兩端的電壓，間接計算出被測電流。

3 智能電流傳感器穩(wěn)態(tài)誤差

智能電流傳感器是基于負反饋的一種運用，從負反饋的角度分析，可以更好地改善其性能，電流傳感器的系統(tǒng)反饋框圖如圖5所示。BP是被測電流在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度，BS是次級電流IS在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度，BH是被測電流與反饋電流在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度差，KH是巨磁阻傳感器的靈敏度系數(shù)，G（s）是巨磁阻傳感器輸出電壓VH進一步處理的放大電路及功率放大電路的傳遞函數(shù)。RM、RS、SLS分別是串聯(lián)次級線圈的測量電阻、次級線圈的電阻以及次級線圈電感的阻抗，三者共同構(gòu)成了功率放大器的負載。BS與IS的比值定義為KS[18]。

該反饋系統(tǒng)的理論誤差為：

（8）

由式（7）可知，該穩(wěn)態(tài)誤差只能減小而不能消除，這也說明了巨磁阻電流傳感器并非真正工作在零磁通狀態(tài)，正是由于穩(wěn)態(tài)誤差的存在，使得巨磁阻傳感器能夠不斷感應(yīng)到磁場使后續(xù)部分工作。該誤差產(chǎn)生的原因是磁芯和線圈的消耗。巨磁阻傳感器的靈敏度高，KH大可以有效減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；選用磁導(dǎo)率高，直徑小的磁環(huán)或減小負載均能改善傳感器的性能，提高傳感器的精度[19]。

忽略系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可得到式 （9）， NP為被測電流的匝數(shù)，NS為次級線圈的匝數(shù)。

（9）

進一步化簡可得式（10），通過測量RM的電壓Vout即可求出被測電流IP。

（10）

4 測試結(jié)果分析

在25℃的溫度下，使用穩(wěn)壓電源以及安捷倫電流源進行測試，用直流穩(wěn)壓電源為電流傳感器提供12 V的工作電壓；用安捷倫E3631A型直流電源提供0～5 A的被測電流。步長為50 mA，從0 A逐漸增加到5 A。用ZigBee智能無線傳輸模塊測量反饋電阻的電壓并將其發(fā)送給計算機，從計算機上得到測量數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所列。

25℃直流數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖6所示。三角表示理論輸出值，方塊表示實際測量值。在零輸入情況的輸出是由外界磁場干擾產(chǎn)生的，外界磁場主要包括地磁場和實驗室各種器件產(chǎn)生的磁場。在實驗中可以通過調(diào)節(jié)AD620的參考電壓來抵消外界磁場干擾產(chǎn)生的輸出電壓，實際運用時可對巨磁阻電流傳感器進行屏蔽處理，否則會因環(huán)境的不同而產(chǎn)生不同的輸出，影響測量結(jié)果。25℃校正后的直流數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖7所示，相比圖6傳感器的零點漂移有了明顯改善。從圖7中可以看出兩條線基本處于平行狀態(tài)，因此巨磁阻電流傳感器的線性度較好，計算表明線性度優(yōu)于0.05%。

通過增長率的變化可判斷電流傳感器性能的穩(wěn)定性。理論增長率取決于反饋線圈匝數(shù)和反饋電阻的比值，K=N/R。對1 A的測試電流進行50次測試，根據(jù)I=KV得到測試增長率K，圖8所示為實際測量與理論增長率的對比圖，從圖中可以看出測試增長率變化較小，穩(wěn)定性較好。由于計算過程中忽略了穩(wěn)態(tài)誤差，以此測試的K值比理論的K值大。測試電阻隨溫度的升高而變大，使得測試增長率呈現(xiàn)變小的趨勢。選擇溫度穩(wěn)定性較好的電阻元件可以進一步提高電流傳感器的性能。

5 結(jié) 語

設(shè)計表明，基于巨磁阻傳感器的智能電流傳感器測量直流的方案是可行的，該傳感器具有較好的靈敏度和線性度，解決了磁飽和、零點漂移、溫度穩(wěn)定性差等問題，實現(xiàn)對直流電的非接觸測量和遠程監(jiān)控功能。測試結(jié)果表明，該智能電流傳感器可測量幾十毫安至幾安的直流電流，其靈敏度為103.5 mV/A，線性度優(yōu)于0.05%。可進一步通過軟件補償?shù)姆椒ㄌ岣邆鞲衅鞯木取?/p>

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