基于隧道磁阻傳感器的電流測試電路設(shè)計

郭文超，陳昌鑫，冉召會，馬鐵華

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原030051）

智能電網(wǎng)是一個高效、清潔、經(jīng)濟、智能的現(xiàn)代化電力網(wǎng)絡(luò)[1]，先進的傳感和測量技術(shù)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)實時監(jiān)測、系統(tǒng)調(diào)控、分析決策和故障預(yù)警的基礎(chǔ)，是電網(wǎng)智能化的核心技術(shù)[2]。 電流作為電網(wǎng)中的最基本狀態(tài)量，其測試技術(shù)對智能電網(wǎng)的發(fā)展至關(guān)重要[3]。

電流的檢測技術(shù)根據(jù)測量方式的不同分為接觸式、非接觸式測量[4]。 接觸式測量的工作原理是歐姆定律，主要采用分壓器，根據(jù)電流流過分壓器的電勢差來計算被測電流的大小[5]。 非接觸式測量的工作原理是通過測量被測電流感生的磁感應(yīng)強度，來間接測量電流的大小[6]。 其采用的電流傳感器主要有電流互感器、羅氏線圈、霍爾傳感器、光纖電流傳感器，以及磁阻傳感器等。 羅氏線圈（Rogowski coil）由于自身原理缺陷不能準確測量直流、低頻分量[7]；霍爾（Hall）電流傳感器的本質(zhì)是半導(dǎo)體材料，溫度對其影響很大[8]；基于磁阻效應(yīng)的巨磁阻GMR（giant magneto-resistive）電流傳感器、隧道磁阻TMR（tunnel magnetic resistance）傳感器在體積、靈敏度、功耗等方面具有很大的優(yōu)勢而得到廣泛的應(yīng)用[9]。 文獻[10]設(shè)計了新型Z 軸TMR 電流傳感器，完成了電流測量；文獻[11]提出了基于磁傳感器的三芯對稱電力電纜相電流測量方法；文獻[12]研究了基于TMR 傳感器的大電流測量技術(shù)。 在此針對微電網(wǎng)電流測試問題，使用2 個反向安裝的TMR 傳感器測試以減小誤差，設(shè)計了測試電路，并進行了試驗驗證。

1 測試原理

1.1 TMR 傳感器測試原理

隧道磁阻傳感器的工作原理是隧道磁阻在一定范圍內(nèi)磁場的作用下，其阻值會隨著磁場的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化[13]，根據(jù)阻值的變化計算出磁場的大小，從而計算出被測電流的大小。

隧道磁阻傳感器一般由4 個隧道磁阻構(gòu)成惠斯通電橋，分為非屏蔽、屏蔽式兩種方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 非屏蔽式靈敏度是屏蔽式靈敏度的2 倍[14]。

圖1 TMR 傳感器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)Fig.1 Wheatstone bridge structure of TMR sensor

1.2 TMR 傳感器陣列模型分析

實際測試中，單個隧道磁阻傳感器比較容易受到外界磁場的干擾[15]，使用2 個傳感器測試取平均值能夠減小測試誤差，并對恒定磁場具有一定的抗干擾作用。定義2 個隧道磁阻傳感器分別為TMR-1 和TMR-2，這2 個傳感器分別布置在載流導(dǎo)線的兩邊，且傳感器的敏感方向相反。 傳感器的位置如圖2所示。

圖2 隧道磁阻傳感器位置示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of the tunnel magnetoresistance sensor location

當導(dǎo)線中通以電流，在導(dǎo)線兩邊產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁場，此時2 個傳感器的輸出信號相同，即當電流發(fā)生變化時，2 個傳感器的輸出信號同時變大或者變小。

設(shè)測試環(huán)境中存在著恒定干擾磁場B3，只有導(dǎo)線電流磁場作用下，傳感器TMR-1 和TMR-2 的輸出信號u1，u2。 只有干擾磁場作用下，TMR-1 和TMR-2的輸出電壓分別為u3，u4，由于這2 個傳感器的敏感方向相反，2 個輸出信號極性相反。而測試導(dǎo)線磁場時存在干擾磁場，傳感器輸出可以表示為u5和u6，即

隧道磁阻的電流測試原理知道，每個傳感器的輸出與磁場正比。 將2 個傳感器的輸出信標定后電流信號，標定電流值又與輸出信號成正比，設(shè)比例常數(shù)為k1，k2，標定后電流值為i1，i2，即

其中，在只有恒定磁場干擾下

而干擾磁場部分k1u3=-k2u4。 i1與i2相加取平均值得到導(dǎo)線電流值i，即

在求平均值過程中，消除了恒定磁場干擾部分的影響，同時平均值也將測試誤差減半，從而減小了單個傳感器的測試誤差。

2 電流測試電路設(shè)計

隧道磁阻傳感器內(nèi)部是由4 個隧道磁阻構(gòu)成的惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，其輸出為差分信號，信號相對微小[16]，不能直接進行采集，需要設(shè)計調(diào)理電路進行放大。

設(shè)計隧道磁阻的調(diào)理電路時，先確定傳感器的各項參數(shù)，然后依據(jù)傳感器的差分輸出信號計算放大倍數(shù)以及芯片選型，最后根據(jù)系統(tǒng)的供電范圍，合理設(shè)計電源電路為傳感器和調(diào)理電路進行供電。隧道磁阻測試電路包括電源電路、儀表放大電路和跟隨電路等3 個部分，其電路框圖如圖3所示。 其中的跟隨電路起著承上啟下的作用，便于采集設(shè)備對調(diào)理后的信號進行采集。

圖3 隧道磁阻傳感器測試電路框圖Fig.3 Block diagram of tunnel magnetoresistance sensor test circuit

2.1 隧道磁阻傳感器測試電路參數(shù)的確定

隧道磁阻傳感器TMR2501 測量磁場的線性范圍為±20 mT，供電范圍小于7 V。 在供電電壓為1 V時，靈敏度為2～5 mV/mT。 靈敏度的測量方法是固定磁阻傳感器，使用永磁鐵提供磁場，在傳感器敏感面位置放置高斯計探頭測量磁場數(shù)值，并記錄TMR2501 輸出電壓，利用磁場和傳感器輸出電壓進行線性擬合，擬合的磁場與傳感器輸出成正比，比例系數(shù)即為磁阻傳感器靈敏度，測量并擬合4 個傳感器的靈敏度。 靈敏度見表1。

表1 1.25 V 供電下TMR 傳感器參數(shù)Tab.1 Parameters of TMR sensor under 1.25 V power supply

由于隧道磁阻傳感器是惠斯通電橋構(gòu)成，在理想情況下，傳感器輸出為0 mV，受制作工藝、溫度等因素影響其輸出一般不為0 mV，這個不為零輸出即為失調(diào)電壓。 在未施加磁場前，傳感器通電對失調(diào)電壓進行了測量。 失調(diào)電壓見表1。

2.2 Multisim 電路仿真

使用Multisim 對TMR 傳感器的調(diào)理電路進行仿真設(shè)計，使用單臂電橋輸出的變化替代TMR 傳感器感應(yīng)到磁場時輸出變化。 把電橋的輸出接入儀表放大器AD8422 的輸入端，通過示波器觀察信號，調(diào)理電路如圖4所示。 改變橋式電路中R5的值，通過示波器觀察其放大倍數(shù)，結(jié)果如圖5所示。 示波器A 通道為通過AD8422 放大后的信號，B 通道為橋式電路的輸出。

圖4 調(diào)理電路仿真Fig.4 Simulation of conditioning circuit

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result

由圖5可見，放大電路的放大倍數(shù)為100 倍，這與理論計算G=1+（19.8 kΩ）/R1的結(jié)果是一致的。

2.3 調(diào)理電路設(shè)計

2.3.1 電源電路設(shè)計

電源電路設(shè)計中，需要供電的有隧道磁阻傳感器（1.25 V）、調(diào)理電路為雙電源±5 V，電源電路設(shè)計如圖6所示。 降壓芯片選用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805 降壓到+5 V，LM7905 降壓到-5 V，構(gòu)成正負電源系統(tǒng)。 使用超低噪聲基準電壓源芯片ADR431，使用單電源5 V 供電，芯片輸出2.5 V。 圖6采用2 個30 kΩ 電阻分壓，OP2340 跟隨后2 路輸出1.25 V 為2 個TMR2501 供電。

2.3.2 調(diào)理電路設(shè)計

使用2 路調(diào)理電路對2 個TMR 傳感器信號進行放大，調(diào)理電路如圖7所示。 圖中，匹配AD8422輸出存在正負電壓信號，采用雙電源供電的雙路高速低噪聲運放MC33078 對放大后的信號進行跟隨；采集系統(tǒng)連接芯片MC33078 輸出2 路信號SIG1 和SIG2，進行信號采集。

圖6 電源電路Fig.6 Power supply circuit

圖7 調(diào)理電路Fig.7 Conditioning circuit

3 試驗驗證

在微電網(wǎng)線路中，選擇其中一條線路，把選擇線路與其他線路分開，保持一定距離，盡量減少其他線路產(chǎn)生的磁場對被測線路的干擾。 通過調(diào)節(jié)阻性負載箱來產(chǎn)生工頻電流，將鉗形電流探頭測得的值作為真值對TMR 測得的信號進行標定。 數(shù)據(jù)采集儀為8 通道并行采集儀，設(shè)置其采樣頻率為20 kHz。

在試驗過程中，固定被測導(dǎo)線，將2 個TMR 傳感器緊貼導(dǎo)線安裝，并調(diào)整位置使傳感器磁敏感面與導(dǎo)線中心軸平行。 傳感器的安裝如圖8所示。

圖8 2 個隧道磁阻傳感器的放置位置Fig.8 Location of two tunnel magnetoresistive sensors

測試試驗數(shù)據(jù)進行濾波處理后，分別與參考電流進行標定，并將處理完成的數(shù)據(jù)按照式（3）對其進行處理，得到誤差更低的信號。測得的信號如圖9所示。

圖9 測得的原始信號Fig.9 Original signal measured

將測得的原始信號以10 kHz 作為截止頻率進行濾波后，分別與作為真值的鉗形電流探頭的值進行標定，并將標定完成的信號按式（3）進行處理，得到誤差更小的信號。 處理結(jié)果如圖10所示。

圖10 求取平均值與真值的對比Fig.10 Comparison of average value and true value

根據(jù)測試結(jié)果，計算測試誤差，結(jié)果見表2。

4 結(jié)語

針對微電網(wǎng)電流測試問題，使用2 個反向安裝的隧道磁阻傳感器對待測電流進行測試。 通過對傳感器測試電路參數(shù)的確定，使用Multisim 進行調(diào)理電路仿真，驗證放大倍數(shù)的正確性；完成原理圖的繪制；使用所述的隧道磁阻傳感器對微電網(wǎng)中的三相可編程負載C 相導(dǎo)線進行了測試，對數(shù)據(jù)進行了分析與處理。 試驗結(jié)果表明：繪制的電路可以完成電流測試工作，以鉗形電流探頭測得的值為真值進行誤差分析，求取平均值相比單個傳感器測試更具可靠性。