一种用于磁阻传感器的电流测量新方法

一种用于磁阻传感器的电流测量新方法

0电流测量装置高压大电流峰一直是智能电网建设的中心核心技术。与传统的电流检测技术相比，高压大电流峰的测量具有电气隔离困难、测量间隔宽（五个层次）、信息安全要求等特点。近年来，高压降压峰的研究已成为科学和工程研究的热点1-2。目前工程科研中电流检测复杂价格昂贵,有的温度漂移严重,有的容易受环境磁场的干扰,有的电气隔离差,都不能满足现在的需求复杂条件下电流的测量［3-6］。针对以上问题一些公司已利用AMR开发了电流测量装置,与传统的磁感应测量不同的是采用AMR代替了霍尔元件提高了测量精度和量程,不过由于采用的磁环屏蔽干扰磁场,使得安装困难、成本昂贵;另一个缺陷是磁环的引入使得装置与导线的距离被固定,进而降低了测量量程,同时在高压情况下存在电气隔离的问题［7-8］。本文采用通用低成本的电子指南针磁阻传感器作为电流检测元件,并特别针对长距离磁测量方法中磁场的干扰问题,辅以双惠斯通桥差模电路,可以对干扰磁场进行有效的屏蔽;进而可以提高高压大电流中测量装置与主体的安全距离,解决电气隔离问题;测量装置与测量主体之间距离的增加使得磁阻传感器的在大电流时不易磁饱和,有效的提高了测量范围,本文设计的系统与文献中的测量方法相比从精度与量程上都有所提高;此外,磁阻效应受温度的影响极低,可以忽略温度漂移对测量造成的影响。1轴磁阻传感器的应用通电导线引起的磁场分布如图1、图2和图3(图中磁场为空间以切面上示意磁场),电流i在空间中点A的磁场为,由Biot-SavartLaw可得出式(1),稳恒电流场i可以产生稳恒的磁场,其在空间直角坐标系(X,Y,Z)各个轴上的投影BiAX、BiAY、BiAZ与电流i成比例关系,比例系数分别为ɑx、ɑy、ɑz,有:由等式(1)可得:利用三轴AMR可以准确的测量到点A磁场在AMR三个敏感轴上的投影分别为BiAX、BiAY、BiAZ,进而可以得到电流i的大小。但是在实际测量过程中磁场分布如图2,直接将磁阻传感器置于A点,由于地磁场和周围环境变化引起的磁场扰动,将各磁场在分别投影到(X,Y,Z)坐标轴上,如式(3):要想利用磁场测量获得电流值首先要屏蔽掉与。传统方法利用磁罐或者软磁环屏环,这样增加了设计难度。本文利用双惠斯通桥差模电路(如图2、3)将磁场与有效的屏蔽掉,在导线周围A、B两点各放一只三轴磁阻传感器,使传感器的敏感轴与空间坐标系(X,Y,Z)坐标轴平行。对于磁场中B点同样存在关系式(4)、(5):以上各式联立可得:由式(7)可以得出结论:(1)当A、B磁阻传感器与导线的相对位置固定后,在各个轴上的差值大小仅与电流成比例;(2)通过双磁阻传感器可以有效的屏蔽掉地磁场的干扰和周围环境的干扰;(3)利用单轴磁阻传感器可代替三轴磁阻传感器;(4)通过测量差值可以计算出电流的大小。2mc328xms系统利用廉价的磁阻传感器MMC328xMS搭建双惠斯通桥差模电路对通电导线进行测量［11］,MMC328xMS集成了所需的放大器、ADC、与通讯IC,系统结构如图4。在距离通电导线不同的位置上分别放置两磁阻传感器,且传感器的各敏感轴保持平行。磁阻传感器将对应位置的磁场信号转化为电信号,经过放大器和模数转化器,信号传送给MCU,MCU通过差分处理得出两传感器敏感轴的差值y。2.1方法的有效性检验表1为在干扰磁场(-0.5~0.5gauss)环境下的电流与两个磁阻传感器Z轴差值关系值,表2为其中第二组数据的部分原始数据。对表1中的四组数据进行线性拟合得出图5。由图5可看出:(1)每组数据线性度均在99.9%以上,符合公式(7)由此可看出本方法的科学性和稳定性;(2)四组数据存在各自的误差,数据的截距不是零。数据存在误差主要由以下原因:(1)磁阻传感器本身的零点误差;(2)磁阻传感器的测量误差;(3)两个磁阻传感器存在安装误差,传感器的敏感轴存在角度偏差。但综合来看,由于误差对测量系统的影响极低,在实际工程项目中可以完全忽略误差的影响。采用最小二乘法对四组数据进行拟合,得近似公式为:2.2传感器与导线的距离通过公式(8)可以反推出电流大小。由于传感器零值误差(8)与y轴交点不是0,即0电流时,系统存在15.76的偏移量,可以通过程序系统初始化矫正。式(8)的斜率及对应于式(7)的斜率,斜率大小与两传感器之间的距离和传导线之间的距离成反比,当三者相对距离固定后斜率也会固定,通过调解传感器与导线的距离可调节量程大小。MMC328xMS的量程为-8~+8gauss,本实验搭建的装置可以量程为0~25A,精度为0.1A。在实际应用中调节敏感元件与导电线之间的距离可以有效的调节测量量程,在高电压中大电流中,系统与导线的距离可提高到一米甚至更高,采用数组差模系统,这样可以在不影响精度的情况下将量程提高到上万安培。3系统的可靠性分析本文利用通用低成本磁阻传感器,设计了双惠斯通桥大电流检测系统,推导了其工作原理,同时给出了实验原始数据,验证了装置的科学性与可靠性。可得出该系统与传统采用磁环屏蔽的电流检测系统相比,电