智能巨磁阻直流電流傳感器設計

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、體積小等優點，在直流測量中具有極大的潛力。文中基于巨磁阻傳感器設計了一款智能電流傳感器，實現了對直流電的非接觸測量和遠程監控，可運用在智能電網、智能電表等場合中。該設計由巨磁阻電流傳感器和ZigBee智能無線傳輸模塊構成。實驗表明，該智能電流傳感器的測量范圍為0～5 A，靈敏度為104.5mV/A，線性度為0.05%，總體性能優于常見的霍爾電流傳感器。

關鍵詞：自旋閥；巨磁阻；電流傳感器；霍爾；智能

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-04

0 引 言

電流傳感器[1]在電力電子應用方面主要起測量、保護和監控的作用，根據其測量原理分為直接式和間接式兩類。直接式測量根據電流通過電阻時在電阻兩端產生的壓降來確定被測電流的大小，如分流器就采用這種原理來測量直流。分流器的主要優點是結構簡單、不受外磁場干擾、性能穩定可靠，但缺點是需要接入電路中，且由于分流的材料一般是合金，因此在測量大電流時會產生大量熱量；間接式測量則通過測量被測電流產生的磁場，間接測量被測電流的大小。屬于間接式測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]。羅氏線圈通過測量磁通勢來確定被測電流的大小，由于線圈不含磁性材料，沒有磁滯效應和磁飽和現象，但存在靈敏度低、頻帶較窄等問題[8]。霍爾電流傳感器主要根據載流半導體在磁場中產生的霍爾電勢間接測量，但溫度對其影響較大，導致精度較低。光纖電流傳感器通過測量偏振光在磁場中偏轉的角度來檢測電流大小，因采用光纖作為傳感介質，故在絕緣性、抗電磁干擾、可靠性等方面優勢明顯，但易受振動干擾[9]。間接式測量相比直接式測量具有精度更高、線性度更好的特點，是目前電流傳感器研究的主要方向。

物聯網的興起，表明智能傳感器是當今傳感器技術發展的主要方向，傳統的電流傳感器已無法完全滿足市場的需要。在電流檢測方面，巨磁阻傳感器[10]與其他類型的傳感器相比，具有能夠測量直流高頻（MHz量級）電流信號、測量范圍寬、靈敏度高和體積小等優點，尤其是巨磁阻傳感器能夠測量直流電流，對于直流輸電系統中直流的檢測極為有利[11，12]。本文基于巨磁阻傳感器靈敏度高、溫漂小和ZigBee在組網、無線傳輸等方面的優勢提出了一種智能直流電流傳感器設計方案，彌補了傳統電流傳感器在靈敏度、溫度穩定性、遠程監測等方面的不足。

1 智能電流傳感器設計框架

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責將被測電流轉換為電壓信號，其反饋電阻與智能無線傳輸模塊的監測節點相連；監測節點主要采集巨磁阻電流傳感器的反饋電阻兩端電壓，將模擬電壓信號轉化為數字信號，待轉化完成后，通過無線傳輸的方式發送給協調器；協調器與計算機通過串口連接，將收到的信息轉發給計算機，并在計算機上顯示出來。整個系統實現了電流的非接觸測量和遠程監控功能。

2 智能電流傳感器電路設計

智能無線傳輸模塊采用的ZigBee芯片是CC2530[13，14]，其電路主要由晶振電路、電源電路、RF電路等構成，電路結構較為常見。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的磁場轉換為電壓信號；

（2）放大電路將微弱的傳感器輸出電壓信號進行放大；

（3）功率放大電路將放大后的電壓信號進一步放大并提供反饋電流；

（4）反饋電路利用磁平衡原理，被測電流產生的磁場通過反饋電流進行補償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態。巨磁阻電流傳感器結構圖如圖2所示。

圖2 巨磁阻電流傳感器結構圖

電流傳感器的工作電壓為±12 V，由穩壓電源提供。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的氣隙里，并用膠水加以固定（巨磁阻傳感器與磁環的相對位置不能改變，否則會影響傳感器輸出電壓的大小）。巨磁阻傳感器的差分輸出信號接到儀表放大器AD620的差分輸入引腳。放大器的增益可以通過1腳和8腳之間的電位器進行控制。儀表放大器的輸出信號接至功率放大器LM3886TF，功率放大器的輸出接反饋線圈，該反饋線圈繞在磁環上，在反饋線圈的末端接一個10 Ω的反饋電阻并接地，通過測量反饋電阻兩端的電壓，計算反饋線圈中的電流，進而推算出穿過磁環的被測電流的大小。電流傳感器電路圖如圖3所示。

2.1 巨磁阻傳感器

設計中選擇VA100F3型巨磁阻傳感器，采用惠斯通電橋結構[17]，具有測量范圍寬、靈敏度高、磁滯小、溫漂低和線性度好等特點。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信號轉換為電壓信號。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為磁感應強度，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

在本設計中，將巨磁阻傳感器放進開有氣隙的磁環的氣隙里，并將傳感器和磁環固定，以獲得穩定的輸出電壓信號。磁場B的大小根據安培環路定律得：

（2）

其中，l為路徑長度；N為路徑包圍的通電導線的匝數；μ0為真空磁導率；I為通過的電流。

根據安培回路定律，被測導線和磁場的關系為：

（3）

式中，H1表示磁環內的磁場強度；H2表示氣隙的磁場強度；r0為平均半徑，r0=（r+R）/2；I0為被測電流；磁環氣隙寬度為d。由式（3）得：

（4）

由于磁環磁導率μ遠大于真空磁導率μ0，上式可以簡化為：

（5）

設N=1，代入式（1）可得：

（6）

由式（6）可知，輸出電壓與被測導線的電流成正比，而且磁環氣隙越小，巨磁阻傳感器輸出電壓越大，因此在設計時磁環氣隙應以卡住傳感器為宜。

2.2 放大電路

由巨磁阻傳感器將磁環收集到的磁場轉化為弱電壓信號，輸出一般為幾十毫伏，需對其進行放大。文中采用AD620儀表放大器，通過改變電阻來改變放大倍數（1～1000）。AD620的1腳和8腳跨接1個10 kΩ電位器S1和1個75Ω的電阻R1來調整放大倍數。如果需要改變放大倍數，則可以調節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，用來過濾交流成分，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，在設計中接了一個可調電壓，可通過調整電位器S2的電壓來改變參考電壓。由于巨磁阻傳感器靈敏度較高，環境中的磁場干擾對其影響比較嚴重，在被測電流為零時，巨磁阻傳感器會有一個輸出，該輸出可通過調節S2來改善。AD620的輸出電壓V0與輸入電壓V1、V2的關系如式（7）所示：

（7）

具體改善零點漂移的方法是：在測試開始之前，如果V0不等于零，則通過調節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漂移，但實際操作時受電位器的精度影響，能明顯改善零點漂移狀況。

2.3 功率放大電路

巨磁阻傳感器的輸出電壓信號經儀表放大器之后的輸出不足以驅動次級線圈的負載，此時需加一個功率放大器進行放大，使反饋電路能夠正常工作。設計中采用的功率放大器為LM3886TF，LM886TF的引腳10和引腳9是信號輸入引腳，引腳10與AD620的輸出信號相連，引腳9接地，9腳和10腳接一個電容，與R9形成低通濾波，消除輸入的殘余高頻，使輸入信號更加光滑，減小功率放大器的不必要功耗，同時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。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成，以平衡被測電流產生的磁場。平衡磁場的原理為：被測電流通過磁環所產生的磁場，由反饋線圈的電流進行補償，使磁環始終處于零磁通工作狀態。當被測電流通過磁環，反饋電流尚未形成時，巨磁阻傳感器感應到磁場產生的電壓信號，經放大級放大后，推動驅動級產生反饋電流，由于反饋線圈的存在，反饋電流不會發生突變，而是逐漸上升，反饋電流產生的磁場補償了部分被測電流產生的磁場。因此，巨磁阻傳感器輸出降低，反饋電流上升減慢。當反饋電流產生的磁場完全補償了被測電流產生的磁場時，磁環磁場為零，巨磁阻傳感器輸出為零。 但由于線圈的緣故，反饋電流還會上升，補償過沖，巨磁阻傳感器輸出發生變化，反饋電流減小，如此反復在平衡點附近振蕩。可以通過測量反饋電阻兩端的電壓，間接計算出被測電流。

3 智能電流傳感器穩態誤差

智能電流傳感器是基于負反饋的一種運用，從負反饋的角度分析，可以更好地改善其性能，電流傳感器的系統反饋框圖如圖5所示。BP是被測電流在磁芯中產生的磁感應強度，BS是次級電流IS在磁芯中產生的磁感應強度，BH是被測電流與反饋電流在磁芯中產生的磁感應強度差，KH是巨磁阻傳感器的靈敏度系數，G（s）是巨磁阻傳感器輸出電壓VH進一步處理的放大電路及功率放大電路的傳遞函數。RM、RS、SLS分別是串聯次級線圈的測量電阻、次級線圈的電阻以及次級線圈電感的阻抗，三者共同構成了功率放大器的負載。BS與IS的比值定義為KS[18]。

該反饋系統的理論誤差為：

（8）

由式（7）可知，該穩態誤差只能減小而不能消除，這也說明了巨磁阻電流傳感器并非真正工作在零磁通狀態，正是由于穩態誤差的存在，使得巨磁阻傳感器能夠不斷感應到磁場使后續部分工作。該誤差產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的穩態誤差；選用磁導率高，直徑小的磁環或減小負載均能改善傳感器的性能，提高傳感器的精度[19]。

忽略系統的穩態誤差可得到式 （9）， NP為被測電流的匝數，NS為次級線圈的匝數。

（9）

進一步化簡可得式（10），通過測量RM的電壓Vout即可求出被測電流IP。

（10）

4 測試結果分析

在25℃的溫度下，使用穩壓電源以及安捷倫電流源進行測試，用直流穩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的被測電流。步長為50 mA，從0 A逐漸增加到5 A。用ZigBee智能無線傳輸模塊測量反饋電阻的電壓并將其發送給計算機，從計算機上得到測量數據。部分數據如表1所列。

25℃直流數據測試結果如圖6所示。三角表示理論輸出值，方塊表示實際測量值。在零輸入情況的輸出是由外界磁場干擾產生的，外界磁場主要包括地磁場和實驗室各種器件產生的磁場。在實驗中可以通過調節AD620的參考電壓來抵消外界磁場干擾產生的輸出電壓，實際運用時可對巨磁阻電流傳感器進行屏蔽處理，否則會因環境的不同而產生不同的輸出，影響測量結果。25℃校正后的直流數據測試結果如圖7所示，相比圖6傳感器的零點漂移有了明顯改善。從圖7中可以看出兩條線基本處于平行狀態，因此巨磁阻電流傳感器的線性度較好，計算表明線性度優于0.05%。

通過增長率的變化可判斷電流傳感器性能的穩定性。理論增長率取決于反饋線圈匝數和反饋電阻的比值，K=N/R。對1 A的測試電流進行50次測試，根據I=KV得到測試增長率K，圖8所示為實際測量與理論增長率的對比圖，從圖中可以看出測試增長率變化較小，穩定性較好。由于計算過程中忽略了穩態誤差，以此測試的K值比理論的K值大。測試電阻隨溫度的升高而變大，使得測試增長率呈現變小的趨勢。選擇溫度穩定性較好的電阻元件可以進一步提高電流傳感器的性能。

5 結 語

設計表明，基于巨磁阻傳感器的智能電流傳感器測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、零點漂移、溫度穩定性差等問題，實現對直流電的非接觸測量和遠程監控功能。測試結果表明，該智能電流傳感器可測量幾十毫安至幾安的直流電流，其靈敏度為103.5 mV/A，線性度優于0.05%。可進一步通過軟件補償的方法提高傳感器的精度。

參考文獻

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

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

[3]周文中，趙國生，李海洋.Rogowski線圈測量誤差分析及改進措施[J].電力系統保護與控制，2009，37（20）：99-103.

[4]李富安.閉環霍爾電流傳感器的設計與測試[D].武漢：華中科技大學，2012.

[5]張昊.環形結構全光纖電流傳感器研究[D].福州：福建師范大學，2014.

[6]鄧隱北，彭曉華.光纖電流傳感器的工作原理及應用[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量[J].電子測量技術，2014，37（6）：104-107.

[9]王天祺.光纖電流傳感器關鍵技術研究[D].長春：長春理工大學，2013.

[10]賴武彥.巨磁電阻引發硬盤的高速發展——2007年諾貝爾物理學獎簡介[J].自然雜志，2007，29（6）：348-352.

[11]曹成濤.基于磁阻傳感器的無線交通信息采集系統設計與實現[J].測控技術，2016，35（1）：21-25.

[12]王婧怡，錢政，王現偉.巨磁阻傳感器動態特性測量方法的研究[J].電測與儀表，2016，53（1）：38-42.

[13]凌志浩，周怡颋，鄭麗麗.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].華東理工大學學報（自然科學版），2006，32（7）：801-805.

[14]鄧釗波，梁明，馬芳.基于Zigbee智能抄表技術與運用[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，2013（S2）：164-166.

[17]錢正洪，白茹，黃春奎，等.先進磁電子材料和器件[J].儀表技術與傳感器，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.基于巨磁阻效應的高壓寬頻大電流傳感器及其抗干擾設計[J].高電壓技術，2016，42（6）：1715-1723.