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(diǎn)，在直流測(cè)量中具有極大的潛力。文中基于巨磁阻傳感器設(shè)計(jì)了一款智能電流傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電的非接觸測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控，可運(yùn)用在智能電網(wǎng)、智能電表等場(chǎng)合中。該設(shè)計(jì)由巨磁阻電流傳感器和ZigBee智能無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)表明，該智能電流傳感器的測(cè)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(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(cè)量、保護(hù)和監(jiān)控的作用，根據(jù)其測(cè)量原理分為直接式和間接式兩類。直接式測(cè)量根據(jù)電流通過(guò)電阻時(shí)在電阻兩端產(chǎn)生的壓降來(lái)確定被測(cè)電流的大小，如分流器就采用這種原理來(lái)測(cè)量直流。分流器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受外磁場(chǎng)干擾、性能穩(wěn)定可靠，但缺點(diǎn)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(cè)量大電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量；間接式測(cè)量則通過(guò)測(cè)量被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，間接測(cè)量被測(cè)電流的大小。屬于間接式測(cè)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(guò)測(cè)量磁通勢(shì)來(lái)確定被測(cè)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(wèn)題[8]?；魻栯娏鱾鞲衅髦饕鶕?jù)載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)間接測(cè)量，但溫度對(duì)其影響較大，導(dǎo)致精度較低。光纖電流傳感器通過(guò)測(cè)量偏振光在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度來(lái)檢測(cè)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(shì)明顯，但易受振動(dòng)干擾[9]。間接式測(cè)量相比直接式測(cè)量具有精度更高、線性度更好的特點(diǎn)，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(wú)法完全滿足市場(chǎng)的需要。在電流檢測(cè)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(cè)量直流高頻（MHz量級(jí)）電流信號(hào)、測(cè)量范圍寬、靈敏度高和體積小等優(yōu)點(diǎn)，尤其是巨磁阻傳感器能夠測(cè)量直流電流，對(duì)于直流輸電系統(tǒng)中直流的檢測(cè)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(wú)線傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢(shì)提出了一種智能直流電流傳感器設(shè)計(jì)方案，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電流傳感器在靈敏度、溫度穩(wěn)定性、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等方面的不足。

1 智能電流傳感器設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其反饋電阻與智能無(wú)線傳輸模塊的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)相連；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，待轉(zhuǎn)化完成后，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器與計(jì)算機(jī)通過(guò)串口連接，將收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流的非接觸測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 智能電流傳感器電路設(shè)計(jì)

智能無(wú)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(chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；

（2）放大電路將微弱的傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大；

（3）功率放大電路將放大后的電壓信號(hào)進(jìn)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(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)反饋電流進(jìn)行補(bǔ)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(duì)位置不能改變，否則會(huì)影響傳感器輸出電壓的大?。?。巨磁阻傳感器的差分輸出信號(hào)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(guò)1腳和8腳之間的電位器進(jìn)行控制。儀表放大器的輸出信號(hào)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(gè)10 Ω的反饋電阻并接地，通過(guò)測(cè)量反饋電阻兩端的電壓，計(jì)算反饋線圈中的電流，進(jìn)而推算出穿過(guò)磁環(huán)的被測(cè)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(jì)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(cè)量范圍寬、靈敏度高、磁滯小、溫漂低和線性度好等特點(diǎn)。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(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。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(qiáng)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(jì)中，將巨磁阻傳感器放進(jìn)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(hào)。磁場(chǎng)B的大小根據(jù)安培環(huán)路定律得：

（2）

其中，l為路徑長(zhǎng)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(guò)的電流。

根據(jù)安培回路定律，被測(cè)導(dǎo)線和磁場(chǎng)的關(guān)系為：

（3）

式中，H1表示磁環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；H2表示氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度；r0為平均半徑，r0=（r+R）/2；I0為被測(cè)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(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率μ0，上式可以簡(jiǎn)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(cè)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(jì)時(shí)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(chǎng)轉(zhuǎn)化為弱電壓信號(hào)，輸出一般為幾十毫伏，需對(duì)其進(jìn)行放大。文中采用AD620儀表放大器，通過(guò)改變電阻來(lái)改變放大倍數(shù)（1～1000）。AD620的1腳和8腳跨接1個(gè)10 kΩ電位器S1和1個(gè)75Ω的電阻R1來(lái)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(lái)過(guò)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(jì)中接了一個(gè)可調(diào)電壓，可通過(guò)調(diào)整電位器S2的電壓來(lái)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(chǎng)干擾對(duì)其影響比較嚴(yán)重，在被測(cè)電流為零時(shí)，巨磁阻傳感器會(huì)有一個(gè)輸出，該輸出可通過(guò)調(diào)節(jié)S2來(lái)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(diǎn)漂移的方法是：在測(cè)試開始之前，如果V0不等于零，則通過(guò)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(diǎn)漂移，但實(shí)際操作時(shí)受電位器的精度影響，能明顯改善零點(diǎn)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(hào)經(jīng)儀表放大器之后的輸出不足以驅(qū)動(dòng)次級(jí)線圈的負(fù)載，此時(shí)需加一個(gè)功率放大器進(jìn)行放大，使反饋電路能夠正常工作。設(shè)計(jì)中采用的功率放大器為L(zhǎng)M3886TF，LM886TF的引腳10和引腳9是信號(hào)輸入引腳，引腳10與AD620的輸出信號(hào)相連，引腳9接地，9腳和10腳接一個(gè)電容，與R9形成低通濾波，消除輸入的殘余高頻，使輸入信號(hào)更加光滑，減小功率放大器的不必要功耗，同時(shí)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(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。平衡磁場(chǎng)的原理為：被測(cè)電流通過(guò)磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由反饋線圈的電流進(jìn)行補(bǔ)償，使磁環(huán)始終處于零磁通工作狀態(tài)。當(dāng)被測(cè)電流通過(guò)磁環(huán)，反饋電流尚未形成時(shí)，巨磁阻傳感器感應(yīng)到磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)放大級(jí)放大后，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)產(chǎn)生反饋電流，由于反饋線圈的存在，反饋電流不會(huì)發(fā)生突變，而是逐漸上升，反饋電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償了部分被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。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(chǎng)完全補(bǔ)償了被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，磁環(huán)磁場(chǎng)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(huì)上升，補(bǔ)償過(guò)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(diǎn)附近振蕩?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量反饋電阻兩端的電壓，間接計(jì)算出被測(cè)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(fù)反饋的一種運(yùn)用，從負(fù)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(cè)電流在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BS是次級(jí)電流IS在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BH是被測(cè)電流與反饋電流在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jìn)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(jí)線圈的測(cè)量電阻、次級(jí)線圈的電阻以及次級(jí)線圈電感的阻抗，三者共同構(gòu)成了功率放大器的負(fù)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(shuō)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(chǎng)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(fù)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(cè)電流的匝數(shù)，NS為次級(jí)線圈的匝數(shù)。

（9）

進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得式（10），通過(guò)測(cè)量RM的電壓Vout即可求出被測(cè)電流IP。

（10）

4 測(cè)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(jìn)行測(cè)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(cè)電流。步長(zhǎng)為50 mA，從0 A逐漸增加到5 A。用ZigBee智能無(wú)線傳輸模塊測(cè)量反饋電阻的電壓并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)上得到測(cè)量數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所列。

25℃直流數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。三角表示理論輸出值，方塊表示實(shí)際測(cè)量值。在零輸入情況的輸出是由外界磁場(chǎng)干擾產(chǎn)生的，外界磁場(chǎng)主要包括地磁場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室各種器件產(chǎn)生的磁場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)AD620的參考電壓來(lái)抵消外界磁場(chǎng)干擾產(chǎn)生的輸出電壓，實(shí)際運(yùn)用時(shí)可對(duì)巨磁阻電流傳感器進(jìn)行屏蔽處理，否則會(huì)因環(huán)境的不同而產(chǎn)生不同的輸出，影響測(cè)量結(jié)果。25℃校正后的直流數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如圖7所示，相比圖6傳感器的零點(diǎn)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(jì)算表明線性度優(yōu)于0.05%。

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

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)表明，基于巨磁阻傳感器的智能電流傳感器測(cè)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(diǎn)漂移、溫度穩(wěn)定性差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電的非接觸測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。測(cè)試結(jié)果表明，該智能電流傳感器可測(cè)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%?？蛇M(jìn)一步通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣邆鞲衅鞯木取?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]何金良，嵇士杰，劉俊，等.基于巨磁電阻效應(yīng)的電流傳感器技術(shù)及在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（5）：8-14.

[2]舒均.淺論電子式互感器及其應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013，42（2）：65-67.

[3]周文中，趙國(guó)生，李海洋.Rogowski線圈測(cè)量誤差分析及改進(jìn)措施[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（20）：99-103.

[4]李富安.閉環(huán)霍爾電流傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[5]張昊.環(huán)形結(jié)構(gòu)全光纖電流傳感器研究[D].福州：福建師范大學(xué)，2014.

[6]鄧隱北，彭曉華.光纖電流傳感器的工作原理及應(yīng)用[J].上海電力，2008（6）：550-552.

[7] Reig C.Magnetic field sensors based on giantmagnetresistance（GMR）technology：applicationsin electrical current sensing[J].Sensors and Actuators A，2004，115（2-3）：259-266.

[8]李偉，楊峰.基于自旋閥巨磁電阻傳感器的直流電流測(cè)量[J].電子測(cè)量技術(shù)，2014，37（6）：104-107.

[9]王天祺.光纖電流傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2013.

[10]賴武彥.巨磁電阻引發(fā)硬盤的高速發(fā)展——2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介[J].自然雜志，2007，29（6）：348-352.

[11]曹成濤.基于磁阻傳感器的無(wú)線交通信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2016，35（1）：21-25.

[12]王婧怡，錢政，王現(xiàn)偉.巨磁阻傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)量方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2016，53（1）：38-42.

[13]凌志浩，周怡颋，鄭麗麗.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，32（7）：801-805.

[14]鄧釗波，梁明，馬芳.基于Zigbee智能抄表技術(shù)與運(yùn)用[J].日用電器，2012（10） ：34-38.

[15] Qian Z H，Wang D X，Daughton J M，et al.Linear spin-valve bridge sensing devices[J].IEEE Trans on Magnetics，2004，40（4）：2643-2645.

[16]朱華辰，錢正洪，胡亮，等.基于自旋閥材料的可編程靈敏度磁敏傳感器[J].材料保護(hù)，2013（S2）：164-166.

[17]錢正洪，白茹，黃春奎，等.先進(jìn)磁電子材料和器件[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（B11）：96-101.

[18] Gabtiele Grandi，Macor Landini.A Magnetic Field Transducer Based on Closed-Loop Operation of Magnetic Sensors[J].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2002， 53（3）：600-605.

[19]王善祥，王中旭，胡軍，等.基于巨磁阻效應(yīng)的高壓寬頻大電流傳感器及其抗干擾設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2016，42（6）：1715-1723.