[发明专利]一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电流监测领域，具体涉及一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法。

背景技术

随着社会的快速发展，电能对于各行各业起着举足轻重的作用，从国家的航空航天事业的发展，到个人消费电子的日常使用，这些领域对电力的需求不仅表现在如何安全高效的生产和使用电能，还表现在如何实时监测电能。要实现对电压、电流、功率等数据的准确监测，就离不开电流传感器的使用。特别是近年来随着科技发展，智能传感系统更是成为全球科技发展和变革中的重大课题。智能传感系统要求传感器不仅具备测量功能，更要求传感系统具有采集、处理、交换信息的能力。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。它是传感器集成化与微处理器相结合的产物。

目前电流传感器市场中，霍尔传感器占据主导地位。基于巨磁阻的电流传感器还处于研发阶段。巨磁阻传感器相对于霍尔传感器在原理的不同，使得巨磁阻在灵敏度、耐压能力、测量精度、温度稳定性和线性度等方面有很大的优势。高精度带来的影响主要是更容易受到外界环境的干扰、对位置更为敏感，使得同一型号的巨磁阻传感器参数都不一定相同，对屏蔽技术的要求更高，如何解决在批量生产过程中offset和灵敏度不同的问题是研究的重点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种磁平衡式巨磁阻电流传感器的设计方法。

本发明采用磁平衡式巨磁阻电流传感器获取待测电流数据，该待测电流经过反馈电阻时转化为反馈电压信号，CAN总线数据传输模块使用模拟—数字转化采集反馈电压信号，采集的反馈电压信号通过CAN收发器传给CAN控制器并对该数据进行液晶显示操作。

本发明的有益效果：本发明方法得到的电流传感器能够测量直流到高频(MHz量级)的电流信号，具有很宽的频率范围。其丰富的磁电阻体系可满足电力系统中各类电流的监测需求。

附图说明

图1为本发明设计图。

图2为CAN总线第一流程图。

图3为CAN总线第二流程图。

图4为磁平衡式GMR电流传感器。

图5a为惠斯通电桥结构。

图5b为输出电压与外加磁场强度图。

图6为AD620仪表放大器结构图。

具体实施方式

本发明主要由两部分组成，磁平衡式巨磁阻电流传感器和CAN总线数据传输模块两部分，其工作原理如下图1所示。磁平衡式巨磁阻电流传感器获取待测电流数据，该待测电流经过反馈电阻时转化为反馈电压信号，CAN总线数据传输模块使用模拟—数字转化采集反馈电压信号，采集的反馈电压信号通过CAN收发器传给CAN控制器并对该数据进行液晶显示操作。整个系统实现了电流的非接触式测量并通过CAN总线实现了数据的传输和共享。

CAN总线传输模块使用的是STM32F103VET6，其模块由晶振电路、电源电路、RF电路等构成，电路结构较为常见，通过配合使用3.5寸TFTLED液晶显示屏能够很好的展示CAN总线数据传输。

使用CAN总线，大体进行三个操作：初始化、接收、中断，初始化和数据接收的流程图如图2、图3所示。

磁平衡式GMR电流传感器主要有以下四部分组成：(1)巨磁阻传感器及磁芯，将传感器感应的磁场转换为电压信号；(2)放大电路，将微弱的传感器输出电压信号进行放大；(3)功率放大电路，将放大后的电压信号进一步放大并且提供反馈电流；(4)反馈电路，利用磁平衡原理，被测电流产生的磁场，通过反馈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。结构图见图4。

GMR传感器中使用的巨磁阻传感器VA100F3，内部采用了惠斯通电桥结构，如图5a所示。当向电桥供电后，在敏感方向加入磁场变化会引起内部电阻元件的变化，导致传感器输出电压发生变化，即传感器的输出电压变化量与外加磁场强度成正比。该类传感芯片具有测量范围宽、灵敏度高、磁滞小、温漂低和线性度好的特点。VA100F3有很宽的工作电压范围，从DC1V至DC10V均可工作，文中采用LM7805稳压芯片为传感器供电。传感器输出电压与外加磁场强度之间的关系可以表示为：V_H＝K_HB。

式中，KH为巨磁阻传感器的灵敏度，单位为mV/mT；B为磁感应强度，单位为mT。从图5b中可以得到KH的取值范围。

在设计中，需要将巨磁阻传感器放进开有气隙的磁环中，并用胶枪将传感器和磁环固定，这样可以获得稳定的输出电压信号。在设计中还需要计算磁环气隙大小。