基于磁分流结构的GMR电流传感器研究
发布时间：2022-01-25 21:51
高性能大量程电流传感器件在仪器仪表、汽车电子与智能电网等领域应用广泛。目前大量程电流传感器的技术主要有磁通门式、光纤式、霍尔式、分流器式等几类,磁通门式电流传感器具有检测精度较高、温度稳定性好的优点,但体积较大、带宽难以提高;光纤式电流传感器虽然精度较高,但易受环境干扰,引起测量误差;霍尔式电流传感器,虽然测量范围大,但由于其信噪比低,导致测量精度不足且温漂严重;分流器具有测量精度高的特点,但由于其直接接入被测回路中,对被测回路影响大,接触电阻和分流器本体电阻较大导致发热量大,且器件与被测回路的直接接触存在安全风险。上述几类电流传感器都难以满足高稳定大量程高精度的测量需求。本文提出的基于GMR技术的新型设计方案,利用软磁分流技术配合多传感器融合技术,测量信号电流磁场,技术先进、可行性强,具有抗干扰性强、温度稳定性好、功耗低、量程宽等的优势。本文具体内容与技术路线如下:研究GMR自旋传感技术,分析传感芯片的线性度、灵敏度、线性检测范围以及磁场检测极限;软磁分流结构的设计与仿真,通过Ansoft Maxwell软件对软磁分流结构建模仿真,通过结构优化,使得被测电流产生的磁场落入传感器的线性...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1分流器
浙江省硕士学位论文2高，分流器本身的发热越严重导致分流器阻值变大，分流器两端的压降会变大，导致测量电流值大于实际电流值，测量精度变差。例如RipkaPavel[22]等人在其文献中详细介绍了分流器在低频率小电流测量中的应用。分流器的接入式测量同样存在严重的安全隐患，所以分流器在大量程高频率的电流测量中显得捉襟见肘。图1.1分流器1.2.1.2非接入式电流传感器非接入式传感器具有安全性能高，测量方便等优点，通常分为开环式和闭环式两种结构。根据敏感单元可将非接入式的电流传感器分为直流互感器、霍尔电流传感器、光纤电流传感器、磁通门电流传感器与GMR电流传感器等。下面对上述非接入式传感器分别进行介绍。（1）开环电流传感器开环式的电流传感器，如图1.2所示，一般是包括聚磁环，磁环开有一个气隙，气隙内放置一个敏感元件，测试时将待测电流的导线放置在磁环内，导线周围产生的磁场被磁环聚集并在气隙处产生漏磁，气隙磁场被敏感元件检测并产生差分电压，产生的差分电压经过处理电路进行放大得到待测电流与输出电压的线性关系，进而得到待测电流的大小[23-28]。开环电流传感器具有低功耗，结构简单而且常用于大量程电流的测量具有较宽电流检测范围。图1.2开环电流传感器
浙江省硕士学位论文3（2）闭环电流传感器闭环式电流传感器，如图1.3所示，一般为一个磁芯，磁芯上开设一个气隙，气隙内设置有敏感元件，磁环上绕制有反馈线圈，测量时，将待测电流的导线放置在磁环内，导线周围产生的磁场被磁环聚集并在气隙处产生漏磁，气隙磁场被敏感元件检测并产生差分电压，产生的差分电压经过处理电路进行放大，放大后的信号经过驱动电路后提高其驱动能力，经过驱动的反馈电流信号进入反馈线圈中产生反馈磁场抵消原磁环内的磁场进而使得磁环内达到近似为一种“零磁通”的状态[29-34]。反馈线圈中接入一个采样电阻，通过测得量该采样电阻两端的电压大小进而获得与原边电流的电流值。闭环式电流传感器具有良好的线性度、高带宽但是功耗高，而且电路复杂，如ZhichaoLi[35]等人研制的闭环电流传感器，一般难以用于大电流的测量中。图1.3闭环电流传感器（3）直流互感器直流互感器的结构主要由铁芯、原边绕组、副边绕组以及整流电路等基本元件组成，直流互感器具有结构简单热稳定性好的优点，通常应用于大电流的测量当中[36-37]。如图1.4所示，原边绕组绕制在一个铁芯上，副边绕组绕制在另一铁芯上，由于互感器的一次电流能够影响磁芯的饱和程度，现若在二次线圈施加交流电压，此时在交流和一次电流的互相作用下，线圈绕组的阻抗发生变化进而二次电流也发生变化，而变化的二次电流能够间接反映一次电流的大小，达到测量电流的目的。但是直流互感器同样存在着很大的弊端，例如磁芯材料不同对应的磁滞影响也不同，一旦被测电流和激励电流的值较小就会导致很大的测量误差，不仅如此，直流互感器较易受外界磁场干扰，例如RipkaPavel[38]等人采用数字
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种外磁场自抑制霍尔电流传感器[J]. 王阳,刘强,钟贻兵,丁俊鹏,赵旭. 电子技术与软件工程. 2019(14)
[2]基于稳健性设计理论的锰铜分流器优化设计[J]. 袁瑞铭,吕言国,李文文,鲁观娜,周金涛. 电子测量与仪器学报. 2019(07)
[3]分流器自动标定调阻装置的设计[J]. 常伟,王松亭,周朝,何方,袁峰,张军. 电子世界. 2019(13)
[4]基于屏蔽结构的自旋阀开环电流传感器设计[J]. 宋小雨. 科技风. 2019(14)
[5]基于霍尔传感器的电流检测系统设计[J]. 张文娟,张飞鸽. 内江科技. 2019(03)
[6]光纤电流传感器温度补偿算法研究[J]. 王来龙,赵晓辉,肖浩,郝鹏. 光电技术应用. 2019(01)
[7]ITER PF高温超导电流引线原型件分流器漏热分析[J]. 韩全,陆坤,刘承连,周挺志,丁开忠,刘辰,宋云涛. 低温与超导. 2019(01)
[8]一款基于磁通门芯片的开环电流传感器[J]. 徐东海,朱胜平,王臻,李敏,任浩,倪大成. 电子设计工程. 2018(20)
[9]智能电表中继电器分流器的改进设计[J]. 梁旭东,曹杰,张璐雅. 集成电路应用. 2018(10)
[10]铁电与铁磁材料的比较研究[J]. 赖萍. 电子世界. 2018(18)
博士论文
[1]自旋阀结构及GMR传感器研究[D]. 刘华瑞.清华大学 2006
硕士论文
[1]新型光纤电流传感器及其应用[D]. 王来龙.河北大学 2019
[2]感应分流器误差理论研究及补偿模块设计[D]. 余炳光.合肥工业大学 2019
[3]大动态范围高精度全光纤电流传感器关键技术研究[D]. 雷笔.东南大学 2018
[4]基于零磁装置的磁通门传感器的新型标定方法[D]. 李吉.哈尔滨工业大学 2018
[5]巨磁效应高精度宽频电流传感技术研究[D]. 高航.重庆大学 2018
[6]基于CAN总线的GMR电流传感器的设计[D]. 丁鑫.杭州电子科技大学 2018
[7]霍尔直流大电流传感器设计与研究[D]. 李玲龙.华中科技大学 2017
[8]智能巨磁阻电流传感器设计[D]. 李嘉鸿.杭州电子科技大学 2017
[9]开环霍尔直流电流传感器及其校正方法设计[D]. 何晓兰.中国科学院大学(工程管理与信息技术学院) 2015
[10]自旋阀材料和传感器的特性及应用研究[D]. 刘建林.杭州电子科技大学 2015
本文编号：3609265
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1分流器
浙江省硕士学位论文2高，分流器本身的发热越严重导致分流器阻值变大，分流器两端的压降会变大，导致测量电流值大于实际电流值，测量精度变差。例如RipkaPavel[22]等人在其文献中详细介绍了分流器在低频率小电流测量中的应用。分流器的接入式测量同样存在严重的安全隐患，所以分流器在大量程高频率的电流测量中显得捉襟见肘。图1.1分流器1.2.1.2非接入式电流传感器非接入式传感器具有安全性能高，测量方便等优点，通常分为开环式和闭环式两种结构。根据敏感单元可将非接入式的电流传感器分为直流互感器、霍尔电流传感器、光纤电流传感器、磁通门电流传感器与GMR电流传感器等。下面对上述非接入式传感器分别进行介绍。（1）开环电流传感器开环式的电流传感器，如图1.2所示，一般是包括聚磁环，磁环开有一个气隙，气隙内放置一个敏感元件，测试时将待测电流的导线放置在磁环内，导线周围产生的磁场被磁环聚集并在气隙处产生漏磁，气隙磁场被敏感元件检测并产生差分电压，产生的差分电压经过处理电路进行放大得到待测电流与输出电压的线性关系，进而得到待测电流的大小[23-28]。开环电流传感器具有低功耗，结构简单而且常用于大量程电流的测量具有较宽电流检测范围。图1.2开环电流传感器
浙江省硕士学位论文3（2）闭环电流传感器闭环式电流传感器，如图1.3所示，一般为一个磁芯，磁芯上开设一个气隙，气隙内设置有敏感元件，磁环上绕制有反馈线圈，测量时，将待测电流的导线放置在磁环内，导线周围产生的磁场被磁环聚集并在气隙处产生漏磁，气隙磁场被敏感元件检测并产生差分电压，产生的差分电压经过处理电路进行放大，放大后的信号经过驱动电路后提高其驱动能力，经过驱动的反馈电流信号进入反馈线圈中产生反馈磁场抵消原磁环内的磁场进而使得磁环内达到近似为一种“零磁通”的状态[29-34]。反馈线圈中接入一个采样电阻，通过测得量该采样电阻两端的电压大小进而获得与原边电流的电流值。闭环式电流传感器具有良好的线性度、高带宽但是功耗高，而且电路复杂，如ZhichaoLi[35]等人研制的闭环电流传感器，一般难以用于大电流的测量中。图1.3闭环电流传感器（3）直流互感器直流互感器的结构主要由铁芯、原边绕组、副边绕组以及整流电路等基本元件组成，直流互感器具有结构简单热稳定性好的优点，通常应用于大电流的测量当中[36-37]。如图1.4所示，原边绕组绕制在一个铁芯上，副边绕组绕制在另一铁芯上，由于互感器的一次电流能够影响磁芯的饱和程度，现若在二次线圈施加交流电压，此时在交流和一次电流的互相作用下，线圈绕组的阻抗发生变化进而二次电流也发生变化，而变化的二次电流能够间接反映一次电流的大小，达到测量电流的目的。但是直流互感器同样存在着很大的弊端，例如磁芯材料不同对应的磁滞影响也不同，一旦被测电流和激励电流的值较小就会导致很大的测量误差，不仅如此，直流互感器较易受外界磁场干扰，例如RipkaPavel[38]等人采用数字
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种外磁场自抑制霍尔电流传感器[J]. 王阳,刘强,钟贻兵,丁俊鹏,赵旭. 电子技术与软件工程. 2019(14)
[2]基于稳健性设计理论的锰铜分流器优化设计[J]. 袁瑞铭,吕言国,李文文,鲁观娜,周金涛. 电子测量与仪器学报. 2019(07)
[3]分流器自动标定调阻装置的设计[J]. 常伟,王松亭,周朝,何方,袁峰,张军. 电子世界. 2019(13)
[4]基于屏蔽结构的自旋阀开环电流传感器设计[J]. 宋小雨. 科技风. 2019(14)
[5]基于霍尔传感器的电流检测系统设计[J]. 张文娟,张飞鸽. 内江科技. 2019(03)
[6]光纤电流传感器温度补偿算法研究[J]. 王来龙,赵晓辉,肖浩,郝鹏. 光电技术应用. 2019(01)
[7]ITER PF高温超导电流引线原型件分流器漏热分析[J]. 韩全,陆坤,刘承连,周挺志,丁开忠,刘辰,宋云涛. 低温与超导. 2019(01)
[8]一款基于磁通门芯片的开环电流传感器[J]. 徐东海,朱胜平,王臻,李敏,任浩,倪大成. 电子设计工程. 2018(20)
[9]智能电表中继电器分流器的改进设计[J]. 梁旭东,曹杰,张璐雅. 集成电路应用. 2018(10)
[10]铁电与铁磁材料的比较研究[J]. 赖萍. 电子世界. 2018(18)
博士论文
[1]自旋阀结构及GMR传感器研究[D]. 刘华瑞.清华大学 2006
硕士论文
[1]新型光纤电流传感器及其应用[D]. 王来龙.河北大学 2019
[2]感应分流器误差理论研究及补偿模块设计[D]. 余炳光.合肥工业大学 2019
[3]大动态范围高精度全光纤电流传感器关键技术研究[D]. 雷笔.东南大学 2018
[4]基于零磁装置的磁通门传感器的新型标定方法[D]. 李吉.哈尔滨工业大学 2018
[5]巨磁效应高精度宽频电流传感技术研究[D]. 高航.重庆大学 2018
[6]基于CAN总线的GMR电流传感器的设计[D]. 丁鑫.杭州电子科技大学 2018
[7]霍尔直流大电流传感器设计与研究[D]. 李玲龙.华中科技大学 2017
[8]智能巨磁阻电流传感器设计[D]. 李嘉鸿.杭州电子科技大学 2017
[9]开环霍尔直流电流传感器及其校正方法设计[D]. 何晓兰.中国科学院大学(工程管理与信息技术学院) 2015
[10]自旋阀材料和传感器的特性及应用研究[D]. 刘建林.杭州电子科技大学 2015
本文编号：3609265
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