一種採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器的製作方法

2023-11-05 05:05:47

專利名稱：一種採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器，屬於電力系統量測技術領域。
背景技術：
目前，公知的用於電力系統測量的電流傳感器主要有三種傳統的電磁式電流互感器、光纖式電流傳感器、霍爾效應電流傳感器。傳統的電磁式電流互感器是基於線圈原理，通過線圈的感應測量電流。這類電磁式電流互感器體積巨大笨重，造價昂貴，安裝難度大，測量的一次側和二次側不能進行電隔離，絕緣要求高，只能測量交流電流，無法應用於大範圍的分布式監測。光纖式電流傳感器造價成本過高，受環境影響因素大，目前尚難於大規模商業應用。霍爾式電流傳感器雖然已經在配網中得到較多應用，但是霍爾效應元件的靈敏度很低，測量耗能高，無法應用在高精度的電流測量方面。巨磁電阻效應元件的靈敏度高，能測量微弱磁場，且穩定性好，能耐受惡劣條件， 已經成功應用於磁傳感器、磁碟讀出磁頭和磁隨機存儲器等領域。

發明內容
本發明的目的是提出一種採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器，將基於巨磁電阻效應的磁場測量技術應用於電力系統中，通過測量電流周圍產生的磁場，推算出電流的大小和方向，適用於智能電網大規模分布式監測的要求。本發明提出的採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器，包括非晶合金磁環、直流恆流源、直流偏磁線圈、多層膜巨磁電阻效應晶片、儀表放大器、運算放大器、電壓跟隨電阻、模數轉換器和數碼管顯示器；被測導線穿過非晶合金磁環，所述的直流偏磁線圈繞在非晶合金磁環上，直流恆流源為直流偏磁線圈供電；所述的非晶合金磁環有一個氣隙，所述的多層膜巨磁電阻效應晶片置於非晶合金磁環的氣隙中；所述的多層膜巨磁電阻效應晶片的正輸出端和負輸出端分別與所述的儀表放大器的同相輸入端和反相輸入端連接，儀表放大器的輸出端與所述的運算放大器的同相輸入端連接；所述的電壓跟隨電阻並聯在運算放大器的反相輸入端和輸出端，運算放大器的輸出端與所述的模數轉換器的輸入端連接，模數轉換器的輸出端與所述的數碼管顯示器連接。上述巨磁電阻效應電流傳感器中，所述的非晶合金磁環的半徑r = 5cm，非晶合金磁環的厚度1 = 1cm，非晶合金磁環上氣隙的寬度d = 1cm，非晶合金磁環的寬度h = 2cm。本發明提出的採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器，能夠測量交流和直流電流。與目前使用的電磁式電流傳感器、光纖式電流傳感器、霍爾效應電流傳感器以及其他結構的巨磁電阻效應電流傳感器相比，具有體積小、成本低、耗能低頻率響應寬、靈敏度高和穩定性好等優點，符合新型智能電網下綠色節能和大規模分布式監測的要求。


圖1是本發明提出的採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器的電路原理圖。圖2是圖1中非晶合金磁環的結構尺寸示意圖。圖1和圖2中，1是被測導線，2是非晶合金磁環，3是直流偏磁線圈，GMR為多層膜巨磁電阻效應晶片NVE-AA002-02，A為儀表放大器INA102，AMP為運算放大器，R為電壓跟隨電阻，A/D為模數轉換模塊，LED為數碼管顯示電路，DC為直流恆流源。圖 2 中r = 5cm, 1 = lcm, d = lcm, h = 2cm。
具體實施例方式本發明提出的採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器，其結構如圖1 所示，包括非晶合金磁環2、直流恆流源DC、直流偏磁線圈3、多層膜巨磁電阻效應晶片GMR、 儀表放大器A、運算放大器AMP、電壓跟隨電阻R、模數轉換器A/D和數碼管顯示器LED。直流偏磁線圈繞在非晶合金磁環上，直流恆流源為直流偏磁線圈供電；被測導線1穿過非晶合金磁環2，所述的非晶合金磁環2有一個氣隙。多層膜巨磁電阻效應晶片GMR置於非晶合金磁環的氣隙中。多層膜巨磁電阻效應晶片的正輸出端和負輸出端分別與所述的儀表放大器A的同相輸入端和反相輸入端連接，儀表放大器A的輸出端與所述的運算放大器AMP的同相輸入端連接。電壓跟隨電阻R並聯在運算放大器的反相輸入端和輸出端，運算放大器的輸出端與所述的模數轉換器A/D的輸入端連接，模數轉換器的輸出端與所述的數碼管顯示器LED連接。上述巨磁電阻效應電流傳感器中，所述的非晶合金磁環的結構如圖2所示，其半徑r = 5cm，非晶合金磁環的厚度1 = 1cm，非晶合金磁環上氣隙的寬度d = 1cm，非晶合金磁環的寬度h = 2cm。本發明提出的採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器的工作原理是本發明採用一個圓環狀的非晶合金材料制的磁環，套在被測導線上，被測導線穿過磁環，磁環對被測導線內的電流產生的磁場起到聚磁的作用。多層膜材料製成的巨磁電阻晶片放置在磁環的氣隙處，敏感軸方向與磁環內的磁通方向在同一直線上。巨磁電阻晶片通過與信號放大電路電連接，將巨磁電阻晶片的電壓輸出信號轉換和換算，從而推算出被測導線中的電流。巨磁電阻晶片在磁場很微弱的情況下，線性特性不好，同時多層膜的巨磁電阻晶片不能辨別磁場方向。為了解決上述問題，在磁環上繞有合適匝數的偏磁線圈，偏磁線圈中通入合適大小和方向的直流電流，將巨磁電阻傳感器的零點移到線性區間，從而解決上述問題。巨磁電阻晶片的內部結構為惠斯通電橋結構。通過恆壓電源給多層膜巨磁電阻晶片供電，輸出電壓信號與被測電流產生的磁場呈線性關係。在圖1中，被測導線⑴穿過非晶合金磁環O)，被測導線⑴中的電流產生的磁場聚集在非晶合金磁環( 內，多層膜巨磁電阻效應傳感器(GMR)放置在非晶合金磁環(2) 的氣隙中，多層膜巨磁電阻效應晶片(GMR)通過測量非晶合金磁環(2)氣隙中的磁場，輸出電壓信號，經過儀表放大器(A)和電壓跟隨器(AMP、R)進行信號放大轉換，輸出電壓信號經過模數轉換模塊(A/D)轉換成數位訊號，再經過數碼管顯示電路(LED)顯示。顯示信號與被測導線(1)中的電流成一一對應關係。直流恆流源(DC)給直流偏磁線圈(3)充入一個恆定的電流，為多層膜巨磁電阻效應晶片(GMR)提供一個合適的直流偏磁。
權利要求
1.一種採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器，其特徵在於該巨磁電阻效應電流傳感器包括非晶合金磁環、直流恆流源、直流偏磁線圈、多層膜巨磁電阻效應晶片、 儀表放大器、運算放大器、電壓跟隨電阻、模數轉換器和數碼管顯示器；被測導線穿過非晶合金磁環；所述的直流偏磁線圈繞在非晶合金磁環上，直流恆流源為直流偏磁線圈供電； 所述的非晶合金磁環有一個氣隙，所述的多層膜巨磁電阻效應晶片置於非晶合金磁環的氣隙中；所述的多層膜巨磁電阻效應晶片的正輸出端和負輸出端分別與所述的儀表放大器的同相輸入端和反相輸入端連接，儀表放大器的輸出端與所述的運算放大器的同相輸入端連接；所述的電壓跟隨電阻並聯在運算放大器的反相輸入端和輸出端，運算放大器的輸出端與所述的模數轉換器的輸入端連接，模數轉換器的輸出端與所述的數碼管顯示器連接。
2.如權利要求1所述的巨磁電阻效應電流傳感器，其特徵在於其中所述的非晶合金磁環的半徑r = 5cm，非晶合金磁環的厚度1 = 1cm，非晶合金磁環上氣隙的寬度d = 1cm，非晶合金磁環的寬度h = 2cm。
全文摘要
本發明涉及一種採用非晶合金磁環結構的巨磁電阻效應電流傳感器，屬於電力系統量測技術領域。該電流傳感器中，被測導線穿過非晶合金磁環，直流偏磁線圈繞在非晶合金磁環上，直流恆流源為直流偏磁線圈供電。多層膜巨磁電阻效應晶片置於非晶合金磁環的氣隙中。晶片的正輸出端和負輸出端分別與儀表放大器的同相輸入端和反相輸入端連接，儀表放大器的輸出端與運算放大器的同相輸入端連接。電壓跟隨電阻並聯在運算放大器的反相輸入端和輸出端，運算放大器的輸出端與所述的模數轉換器的輸入端連接，輸出端與數碼管顯示器連接。本發明的電流傳感器，具有體積小、成本低、耗能低、頻率響應寬、靈敏度高和穩定特性好等優點，符合新型智能電網下綠色節能和大規模分布式監測的要求。
文檔編號G01R19/00GK102323467SQ201110255549
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者何金良, 嵇士傑, 張波, 曾嶸, 歐陽勇, 胡軍 申請人:清華大學