一種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器，屬于傳感測(cè)量領(lǐng)域。包括：開(kāi)口磁環(huán)、電流傳感芯片、補(bǔ)償線圈、采樣電阻、儀表放大器、調(diào)零電路、電流輸出模塊和電源模塊；電流傳感芯片包括高靈敏度TMR傳感芯片和低靈敏度TMR傳感芯片，設(shè)置兩個(gè)電流測(cè)量輸出點(diǎn)；開(kāi)口磁環(huán)套置在載流導(dǎo)線外，使載流導(dǎo)線穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)的內(nèi)孔，補(bǔ)償線圈繞制在開(kāi)口磁環(huán)上，高靈敏度TMR傳感芯片置于開(kāi)口磁環(huán)的開(kāi)口氣隙處，低靈敏度TMR傳感芯片置于開(kāi)口磁環(huán)的外部；高靈敏度TMR傳感芯片與各組成部件組成閉環(huán)結(jié)構(gòu)；低靈敏度TMR傳感芯片與儀表放大器、調(diào)零電路組成開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有量程大、頻帶寬、體積小、精度高、成本低、無(wú)侵入、便于安裝維護(hù)等突出優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于傳感測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種采用高靈敏度和低靈敏度的兩片隧 道磁阻效應(yīng)(TMR)傳感忍片組成寬量程寬頻帶電流傳感器，測(cè)量范圍覆蓋百微安泄漏電流 至數(shù)千安沖擊電流。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能電網(wǎng)的發(fā)展需要各方面技術(shù)的支持，其中先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能 電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的基礎(chǔ)，對(duì)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。在目前的電力系統(tǒng)中，對(duì)輸 配電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)還有待進(jìn)一步完善，運(yùn)主要是由于輸配電系統(tǒng)中輸電線路分布廣泛、電氣 設(shè)備數(shù)量巨大、電壓電流等級(jí)廣泛，并且設(shè)備空間距離較小。具體到輸配電系統(tǒng)中使用的電 流傳感器，其應(yīng)當(dāng)具有大量程、高精度、寬頻帶、小體積、低成本、便于安裝維護(hù)等特點(diǎn);尤其 在量程和頻帶方面，傳感器應(yīng)當(dāng)能夠同時(shí)測(cè)量小至百微安級(jí)的泄漏電流和大至千安級(jí)的沖 擊電流。然而，目前較為成熟的電流傳感器均不能全面滿(mǎn)足上述要求:傳統(tǒng)的羅科夫斯基線 圈和電流互感器的鐵忍需要環(huán)繞導(dǎo)線，制造復(fù)雜、絕緣困難、維護(hù)費(fèi)用高，并且隨著絕緣等 級(jí)增加成本顯著上升;光纖電流傳感器簡(jiǎn)化了絕緣問(wèn)題，提高了測(cè)量電流等級(jí)，但它結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，價(jià)格昂貴，對(duì)外界振動(dòng)、溫度等變化敏感;磁光電流傳感器具有光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)， 但體積龐大、價(jià)格昂貴;磁通口電流傳感器能夠測(cè)量極高頻電流和極微小電流，但同樣造價(jià) 昂貴、體積較大。
[0003] 霍爾電流傳感器技術(shù)成熟，根據(jù)測(cè)量原理的不同又可分為開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)。 開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器使用霍爾傳感器直接檢測(cè)電流，并將檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器直 接放大輸出；運(yùn)種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，但線性度較差、頻帶較窄、穩(wěn)定性差。閉環(huán)霍爾電 流傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括開(kāi)口磁環(huán)2,霍爾元件3,儀表放大器4,調(diào)零電路5,補(bǔ)償線圈 6，采樣電阻7，由NPN型S極管Ql和PNP型S極管Q2組成的電流輸出模塊。開(kāi)口磁環(huán)2套置在 載流導(dǎo)線1外，使載流導(dǎo)線1穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)2的內(nèi)孔，霍爾元件3置于開(kāi)口磁環(huán)2開(kāi)口氣隙處， 補(bǔ)償線圈6繞制在開(kāi)口磁環(huán)2上，霍爾元件3的輸出端連接到儀表放大器4,調(diào)零電路5連接到 儀表放大器4,儀表放大器4的輸出端分別連接NPN型S極管Ql和PNP型S極管Q2的基極，NPN 型S極管Ql和PNP型S極管Q2的發(fā)射級(jí)相連并連接補(bǔ)償線圈6,補(bǔ)償線圈6的另一端經(jīng)過(guò)采 樣電阻7接地。閉環(huán)霍爾電流傳感器將霍爾元件3的輸出信號(hào)放大后，通過(guò)補(bǔ)償線圈6引入 補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消，通過(guò)檢測(cè)補(bǔ)償電流，間接得到 待測(cè)電流值。相比開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，閉環(huán)霍爾電流傳感器具有線性度好、響應(yīng)快、頻帶 寬、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，但一般只用于檢測(cè)大電流。另外，霍爾電流傳感器普遍具有靈敏度低、溫 度穩(wěn)定性差、線性度差等缺點(diǎn)，不能檢測(cè)微弱電流。
[0004] 隧道磁阻效應(yīng)(TMR)是指磁性多層膜材料在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生巨大變化的現(xiàn)象，基 于隧道磁阻效應(yīng)的電流傳感器具有靈敏度高、測(cè)量范圍大、溫度穩(wěn)定性好、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、體積小、成本低、非侵入等優(yōu)點(diǎn)，非常適合智能電網(wǎng)尤其是配電系統(tǒng)對(duì)電流測(cè)量的需求。 靈敏度較高的TMR傳感忍片能夠測(cè)量更加微弱的電流，但其飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度一般較低，即同一 片忍片不能同時(shí)對(duì)微安級(jí)電流和千安級(jí)電流進(jìn)行測(cè)量。而且在測(cè)量百微安級(jí)泄漏電流時(shí)， 由于泄漏電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)非常微弱，環(huán)境W及傳感器本身的噪聲與有用信號(hào)幅值相當(dāng)，對(duì) 測(cè)量造成極大干擾甚至將有用信號(hào)淹沒(méi)。運(yùn)些都限制了 TMR傳感忍片在需要測(cè)量極小和極 大電流場(chǎng)合的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)目前電流傳感器不能同時(shí)測(cè)量百微安級(jí)泄漏電流和千安級(jí)沖擊電流 的問(wèn)題，提出一種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器。本發(fā)明主要解決了百微 安級(jí)小電流測(cè)量、擴(kuò)大電流傳感器量程和過(guò)電壓保護(hù)=個(gè)技術(shù)問(wèn)題;量程大、體積小、精度 高、成本低、無(wú)侵入、便于安裝維護(hù)，能夠滿(mǎn)足智能電網(wǎng)尤其是配電網(wǎng)的測(cè)量需求，具有極高 的使用價(jià)值。
[0006] 本發(fā)明提出的一種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器，包括:開(kāi)口磁 環(huán)、電流傳感忍片、補(bǔ)償線圈、采樣電阻、儀表放大器、調(diào)零電路、反向串聯(lián)TVS二極管、電流 輸出模塊和電源模塊;其特征在于，所述電流傳感忍片包括高靈敏度TMR傳感忍片和低靈敏 度TMR傳感忍片，設(shè)置兩個(gè)電流測(cè)量輸出點(diǎn)；其中，開(kāi)口磁環(huán)套置在載流導(dǎo)線外，使載流導(dǎo)線 穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)的內(nèi)孔，補(bǔ)償線圈繞制在開(kāi)口磁環(huán)上，高靈敏度TMR傳感忍片置于開(kāi)口磁環(huán)的 開(kāi)口氣隙處，低靈敏度TMR傳感忍片置于開(kāi)口磁環(huán)的外部;所述高靈敏度TMR傳感忍片依次 連接儀表放大器、調(diào)零電路、電流輸出模塊、反向串聯(lián)TVS二極管并與開(kāi)口磁環(huán)、補(bǔ)償線圈、 采樣電阻組成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量小電流;所述低靈敏度TMR傳感忍片和調(diào)零電路連接到儀 表放大器組成開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量大電流。
[0007] 本發(fā)明的特點(diǎn)：
[0008] 本發(fā)明提出的寬量程寬頻帶TMR電流傳感器的特征在于使用高靈敏度和低靈敏度 兩片TMR傳感忍片并分別采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)和開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展電流傳感器的量程，同時(shí)高靈敏度 TMR傳感忍片和低靈敏度TMR傳感忍片的位置經(jīng)過(guò)特殊布置。其中閉環(huán)結(jié)構(gòu)的特征在于電流 輸出模塊使用具有大電流輸出能力的運(yùn)算放大器，并使用反向串聯(lián)TVS二極管進(jìn)行過(guò)電壓 保護(hù)。
[0009] 本發(fā)明提出的寬量程寬頻帶TMR電流傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)百微安級(jí)泄漏電流至千安級(jí) 沖擊電流的測(cè)量。
[0010] 本發(fā)明主要具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0011] 1、大量程，寬頻帶。本發(fā)明使用高靈敏度和低靈敏度的兩片TMR傳感忍片，擴(kuò)大了 可測(cè)電流范圍，量程為百微安至數(shù)千安，同時(shí)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有較寬的頻帶，可對(duì)輸配電系 統(tǒng)中的泄漏電流W及沖擊電流進(jìn)行測(cè)量。
[0012] 2、精度高。本發(fā)明對(duì)百微安至數(shù)安培的小電流和數(shù)安培至數(shù)千安的大電流采用不 同的測(cè)量方案。小電流使用閉環(huán)測(cè)量方案，可有效抑制環(huán)境W及系統(tǒng)本身的噪聲，提高系統(tǒng) 的穩(wěn)定性和精確度。大電流使用開(kāi)環(huán)測(cè)試方案。在上述兩個(gè)電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了分段線性輸 出。
[0013] 3、體積小，無(wú)侵入，便于安裝維護(hù)。本發(fā)明提出的寬量程寬頻帶TMR電流傳感器除 開(kāi)口磁環(huán)及繞制在上面的補(bǔ)償線圈之外的其它部分均可集成在電路板上，傳感器體積較 小。安裝使用過(guò)程中只需將載流導(dǎo)線穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)中屯、，傳感器與載流導(dǎo)線完全隔離，無(wú)侵 入，維護(hù)安全方便。
[0014] 4、低成本。本發(fā)明提出的寬量程寬頻帶TMR電流傳感器只需使用TMR傳感忍片、儀 表放大器、運(yùn)算放大器、磁環(huán)等元器件，制造成本大大降低，非常適合大規(guī)模應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為閉環(huán)霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明提出的基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0017] 圖3結(jié)構(gòu)為本發(fā)明提出的基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器的結(jié)構(gòu)側(cè) 視圖。
[0018] 圖中，1、載流導(dǎo)線，2、開(kāi)口磁環(huán)，3、霍爾元件，4、儀表放大器，5、調(diào)零電路，6、補(bǔ)償 線圈，7、采樣電阻，91、肥昭^立極管，92、？肥型立極管，8、高靈敏度TMR傳感忍片，9、低靈敏 度TMR傳感忍片，10、儀表放大器(包括儀表放大器IOa和儀表放大器10b)，11、調(diào)零電路(包 括調(diào)零電路11 a和調(diào)零電路11 b )，12、電流輸出模塊(包括電阻Rl、電阻R2、電阻R3和運(yùn)算放 大器Ul )，13、電源模塊，14、反向串聯(lián)TVS二極管，15、小電流測(cè)量輸出點(diǎn)，16、大電流測(cè)量輸 出點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明提出的一種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器，下面結(jié)合附圖 和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0020] 本發(fā)明提出的一種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器，其實(shí)施例結(jié)構(gòu) 如圖2所示，包括:開(kāi)口磁環(huán)2、補(bǔ)償線圈6、采樣電阻7、高靈敏度TMR傳感忍片8、低靈敏度TMR 傳感忍片9、由儀表放大器IOa和儀表放大器IOb組成的儀表放大器10、由調(diào)零電路Ila和調(diào) 零電路Ub組成的調(diào)零電路11、由電阻RU電阻R2、電阻R3和運(yùn)算放大器Ul組成的電流輸出 模塊12、電源模塊13、反向串聯(lián)瞬態(tài)抑制(TVS)二極管14、小電流測(cè)量輸出點(diǎn)15和大電流測(cè) 量輸出點(diǎn)16;其連接關(guān)系為：
[0021 ]開(kāi)口磁環(huán)2套置在待測(cè)載流導(dǎo)線1外，使載流導(dǎo)線1穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)2的內(nèi)孔，補(bǔ)償線 圈6繞制在開(kāi)口磁環(huán)2上，高靈敏度TMR傳感忍片8置于開(kāi)口磁環(huán)2的開(kāi)口氣隙處，低靈敏度 TMR傳感忍片9置于開(kāi)口磁環(huán)2的外部;所述電源模塊13分別連接到高靈敏度TMR傳感忍片8、 低靈敏度TMR傳感忍片9、儀表放大器10、調(diào)零電路11和電流輸出模塊12;所述高靈敏度TMR 傳感忍片8的輸出連接到儀表放大器1 Oa，儀表放大器1 Oa的輸出連接到電流輸出模塊12中 的電阻Rl的一端，電阻Rl的另一端連接到運(yùn)算放大器Ul的同相輸入端，調(diào)零電路Ila連接到 電流輸出模塊12中的電阻R3的一端，電阻R3的另一端連接到運(yùn)算放大器Ul的反相輸入端， 電流輸出模塊12中的電阻R2連接在運(yùn)算放大器Ul的反相輸入端與輸出端之間，運(yùn)算放大器 Ul的輸出端（即為電流輸出模塊12的輸出端)連接到補(bǔ)償線圈6的一端，補(bǔ)償線圈6的另一端 經(jīng)過(guò)采樣電阻7接地，補(bǔ)償線圈6繞制在開(kāi)口磁環(huán)2上，反向串聯(lián)TVS二極管14連接在電流輸 出模塊12的輸出端與地之間;所述低靈敏度TMR傳感忍片9的輸出端連接到儀表放大器10b， 調(diào)零電路Ilb的輸出端連接到儀表放大器10b;小電流測(cè)量輸出點(diǎn)15位于采樣電阻7和補(bǔ)償 線圈6的連接處，作用是輸出測(cè)量小電流的輸出電壓信號(hào)。大電流測(cè)量輸出點(diǎn)16位于儀表放 大器IOb的輸出端，作用是輸出測(cè)量大電流的輸出電壓信號(hào)。其中，高靈敏度TMR傳感忍片8、 儀表放大器10a、調(diào)零電路11a、電流輸出模塊12、開(kāi)口磁環(huán)2、反饋線圈6、采樣電阻7和反向 串聯(lián)TVS二極管14組成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量小電流，量程為百微安至數(shù)安培。低靈敏度TMR傳 感忍片9、儀表放大器IOb和調(diào)零電路Ub組成開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量大電流，量程為數(shù)安培至 數(shù)千安培。
[0022] 本發(fā)明的上述電流傳感器的各元器件的具體實(shí)現(xiàn)方式及功能分別說(shuō)明如下：
[0023] 本實(shí)施例的電源模塊13采用常規(guī)產(chǎn)品，用于將±9V電池電壓轉(zhuǎn)換為± 5V和± 2.5V 電壓，± 5V電壓用于給儀表放大器10、調(diào)零電路11和電流輸出模塊12提供工作電源，± 2.5V 電壓用于給高靈敏度TMR傳感忍片8和低靈敏度TMR傳感忍片9提供工作電源，同時(shí)+2.5V電 壓給調(diào)零電路11提供參考電位。
[0024] 所述TMR傳感忍片靈敏度在lOmV/V/OeW上即認(rèn)為屬于高靈敏度忍片，小于IOmV/ V/Oe認(rèn)為屬于低靈敏度忍片。
[0025] 所述高靈敏度TMR傳感忍片8和低靈敏度TMR傳感忍片9均采用常規(guī)產(chǎn)品，其位置如 圖3所示，圖3為本發(fā)明的部分結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，包括載流導(dǎo)線1、開(kāi)口磁環(huán)2、補(bǔ)償線圈6、高靈敏 度TMR傳感忍片8、低靈敏度TMR傳感忍片9。其中，載流導(dǎo)線1穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)2的內(nèi)孔，補(bǔ)償線 圈6繞制在開(kāi)口磁環(huán)2上，高靈敏度TMR傳感忍片8位于開(kāi)口磁環(huán)2開(kāi)口氣隙處，低靈敏度TMR 傳感忍片9位于高靈敏度TMR傳感忍片8正上方，并置于開(kāi)口磁環(huán)2開(kāi)口氣隙外部，低靈敏度 TMR傳感忍片9與開(kāi)口磁環(huán)2上表面的垂直距離優(yōu)選值為大于等于3cm，W避免開(kāi)口磁環(huán)2對(duì) 低靈敏度TMR傳感忍片9所在位置處磁場(chǎng)的影響。高靈敏度TMR傳感忍片8用于感應(yīng)微弱電流 并產(chǎn)生電壓信號(hào)，使用閉環(huán)結(jié)構(gòu)能夠減小開(kāi)口磁環(huán)外部磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng) 的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠抑制噪聲，有利于測(cè)量更加微弱的電流。低靈敏度TMR傳感忍片9放置在 開(kāi)口磁環(huán)2之外，能夠避免磁環(huán)聚磁作用的影響，提高最大可測(cè)電流值。
[0026] 所述開(kāi)口磁環(huán)2為圓環(huán)狀并有開(kāi)口氣隙，開(kāi)口氣隙寬度應(yīng)盡可能小，W恰好能夠放 入高靈敏度TMR傳感忍片8為宜，W提高聚集磁場(chǎng)的能力，開(kāi)口磁環(huán)2使用高磁導(dǎo)率材料制 作，如鐵氧體、坡莫合金等。
[0027] 所述補(bǔ)償線圈6繞制在開(kāi)口磁環(huán)2上，線圈使用漆包線繞制，線徑優(yōu)選值2mm，應(yīng)數(shù) 優(yōu)選值50-200應(yīng)。補(bǔ)償線圈6中的補(bǔ)償電流在開(kāi)口磁環(huán)2的氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)與載流導(dǎo)線1 中的待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相抵消，使氣隙保持在接近零磁通的狀態(tài)。
[0028] 所述采樣電阻7將補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)采樣電阻7上的電壓信號(hào)可 間接得到待測(cè)電流值，其關(guān)系如式（1)所示。式中，R為采樣電阻7的阻值，K為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) (電壓/電流），N為補(bǔ)償線圈2的應(yīng)數(shù)，10為待測(cè)電流值，Vnut是小電流測(cè)量輸出點(diǎn)15的輸出電 壓信號(hào)。為了將微弱的補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)換為可測(cè)的電壓信號(hào)，采樣電阻7的阻值應(yīng)較大，優(yōu)選值 為500 Q-IOk Q。
[0029]
(1)
[0030] 本買(mǎi)施例的儀表放大器10包括儀表放大器IOa和儀表放大器10b。儀表放大器IOa 用于放大高靈敏度TMR傳感忍片8的輸出電壓信號(hào)。儀表放大器IOb用于放大低靈敏度TMR傳 感忍片9的輸出電壓信號(hào)。儀表放大器IOa和儀表放大器IOb采用具有優(yōu)良的高頻特性、高共 模抑制比、高放大倍數(shù)和低噪聲的產(chǎn)品。
[0031] 所述調(diào)零電路11包括調(diào)零電路Ila和調(diào)零電路11b。調(diào)零電路Ila連接到電流輸出 模塊12,用于測(cè)量小電流的閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)零。調(diào)零電路Ilb連接到儀表放大器10b，用于測(cè) 量大電流的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的調(diào)零。調(diào)零電路Ila和調(diào)零電路Ub可采用常規(guī)的運(yùn)算放大器組成。
[0032] 所述電流輸出模塊12包括電阻RU電阻R2、電阻R3和運(yùn)算放大器Ul。電阻Rl的一端 連接到運(yùn)算放大器Ul的同相輸入端，另一端連接儀表放大器10a。電阻R2的兩端分別連接運(yùn) 算放大器Ul的反相輸入端和輸出端。電阻R3的一端連接運(yùn)算放大器Ul的反相輸入端，另一 端連接到調(diào)零電路11a。電流輸出模塊12用于為補(bǔ)償線圈6提供補(bǔ)償電流，不使用互補(bǔ)結(jié)構(gòu) 的S極管作為電流輸出模塊能夠避免S極管的0.7V導(dǎo)通電壓，確保在測(cè)量極小電流時(shí)電流 輸出模塊12仍能夠提供補(bǔ)償電流，有利于減小可測(cè)量的最小電流值。其中，運(yùn)算放大器Ul具 有大電流輸出能力、優(yōu)良的高頻特性和低噪聲。
[0033] 所述反向串聯(lián)TVS二極管14并聯(lián)在電流輸出模塊12的輸出端和地之間。測(cè)量大幅 值暫態(tài)電流時(shí)，補(bǔ)償線圈6兩端會(huì)感應(yīng)出高電壓，當(dāng)電路過(guò)電壓達(dá)到反向串聯(lián)TVS二極管14 的導(dǎo)通電壓時(shí)，反向串聯(lián)二極管14導(dǎo)通，為補(bǔ)償線圈6中的電流提供泄流通道，并將運(yùn)算放 大器Ul輸出端電位巧位在反向串聯(lián)TVS二極管導(dǎo)通電壓，保護(hù)電路不受過(guò)電壓損壞。
[0034] 本發(fā)明的實(shí)施例中，開(kāi)口磁環(huán)材料為鐵氧體，外徑35mm，內(nèi)徑19mm，開(kāi)口寬度9mm， 補(bǔ)償線圈應(yīng)數(shù)為100應(yīng)，反向串聯(lián)TVS二極管導(dǎo)通壓降5V，采樣電阻選擇精密電阻，阻值IOk Q，TMR傳感忍片靈敏度分別為lOOmV/V/Oe和2.2mV/V/0e，其中高靈敏度TMR忍片置于磁環(huán) 開(kāi)口處，低靈敏度TMR忍片置于磁環(huán)外，在高靈敏度忍片正上方距離開(kāi)口磁環(huán)上表面3cm處。 電源模塊使用忍片為1117805、1117905、1?6巧025、408642。儀表放大器10曰使用集成忍片 AD8429,運(yùn)算放大器Ul W及調(diào)零電路Ila中的運(yùn)算放大器使用包含兩個(gè)運(yùn)放的集成運(yùn)放 AD8012。儀表放大器Ub使用S個(gè)運(yùn)算放大器組成S運(yùn)放儀表放大器，并和調(diào)零電路Ub中 的運(yùn)算放大器一起使用一片包含四個(gè)運(yùn)放的集成運(yùn)放AD8044。電流輸出模塊中的電阻Rl阻 值為化Q，電阻R2、電阻R3阻值均為1 Ok Q。小電流測(cè)量輸出點(diǎn)和大電流測(cè)量輸出點(diǎn)通過(guò)SMA 接口引出。該電流傳感器能夠?qū)ゎl200uA電流W及IkA的1.2/50US沖擊電流進(jìn)行很好的測(cè) 量，并不受過(guò)電壓損壞，解決了電流傳感器在直流至沖擊頻帶范圍內(nèi)對(duì)極小和極大電流進(jìn) 行測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于隧道磁阻效應(yīng)的寬量程寬頻帶電流傳感器，包括：開(kāi)口磁環(huán)、電流傳感芯 片、補(bǔ)償線圈、采樣電阻、儀表放大器、調(diào)零電路、反向串聯(lián)TVS二極管、電流輸出模塊和電源 模塊;其特征在于，所述電流傳感芯片包括高靈敏度TMR傳感芯片和低靈敏度TMR傳感芯片， 設(shè)置兩個(gè)電流測(cè)量輸出點(diǎn);其中，開(kāi)口磁環(huán)套置在載流導(dǎo)線外，使載流導(dǎo)線穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)的 內(nèi)孔，補(bǔ)償線圈繞制在開(kāi)口磁環(huán)上，高靈敏度TMR傳感芯片置于開(kāi)口磁環(huán)的開(kāi)口氣隙處，低 靈敏度TMR傳感芯片置于開(kāi)口磁環(huán)的外部；所述高靈敏度TMR傳感芯片依次連接儀表放大 器、調(diào)零電路、電流輸出模塊、反向串聯(lián)TVS二極管并與開(kāi)口磁環(huán)、補(bǔ)償線圈、采樣電阻組成 閉環(huán)結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量小電流;所述低靈敏度TMR傳感芯片和調(diào)零電路連接到儀表放大器組成 開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量大電流。2. 如權(quán)利要求1所述電流傳感器，其特征在于，所述TMR傳感芯片包括高靈敏度TMR傳感 芯片和低靈敏度TMR傳感芯片，高靈敏度TMR傳感芯片設(shè)置在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，低靈敏度TMR傳感 芯片設(shè)置在開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)中。3. 如權(quán)利要求1所述電流傳感器，其特征在于，所述電流輸出模塊包括三個(gè)電阻和一個(gè) 運(yùn)算放大器，其中，第一電阻R1連接在運(yùn)算放大器的同相輸入端，第三電阻R3連接在運(yùn)算放 大器的反相輸入端，第二電阻R2連接在電運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間。4. 如權(quán)利要求1所述電流傳感器，其特征在于，所述電流傳感器還包括連接在電流輸出 模塊的輸出端與地之間的反向串聯(lián)TVS二極管。5. 如權(quán)利要求1所述電流傳感器，其特征在于，所述調(diào)零電路采用兩個(gè)由運(yùn)算放大器組 成的調(diào)零電路，分別設(shè)置在閉環(huán)結(jié)構(gòu)和開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)中。6. 如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述電流傳感器，其特征在于，所述電流傳感器還包括電源模 塊，用于將±9V電池電壓轉(zhuǎn)換為±5V和±2.5V電壓，其中±5V電壓用于給儀表放大器、調(diào)零 電路和電流輸出模塊提供工作電源，±2.5V電壓用于給高靈敏度TMR傳感芯片和低靈敏度 TMR傳感芯片提供工作電源，同時(shí)+2.5V電壓給調(diào)零電路提供參考電位。7. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述低靈敏度TMR傳感芯片位于高靈 敏度TMR傳感芯片正上方，并置于開(kāi)口磁環(huán)開(kāi)口氣隙外部，低靈敏度TMR傳感芯片與開(kāi)口磁 環(huán)上表面的垂直距離大于等于3cm。8. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述開(kāi)口磁環(huán)為圓環(huán)狀并有開(kāi)口氣 隙，開(kāi)口氣隙寬度恰好能夠放入高靈敏度TMR傳感芯片。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK106018919SQ201610342034
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】胡軍, 趙帥, 歐陽(yáng)勇, 王中旭, 何金良
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)