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巨磁阻效應(yīng)電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，涉及用于測(cè)量電流的裝置，是一種帶磁屏蔽殼與偏置線圈的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其構(gòu)成包括U型磁屏蔽殼、巨磁阻芯片、偏置線圈繞組、載流導(dǎo)體、PCB板、偏置電流源和信號(hào)處理電路，其中，由U型磁屏蔽殼、巨磁阻芯片、偏置線圈繞組、載流導(dǎo)體和PCB板構(gòu)成巨磁阻效應(yīng)電流傳感器的探頭，上述信號(hào)處理電路包括偏置磁場發(fā)生電路、巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路、參考電壓產(chǎn)生電路和改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路，磁屏蔽殼的存在克服了因巨磁阻對(duì)磁場的高度敏感特性使得它們同時(shí)易受外界雜散磁場的影響的缺陷，同時(shí)又通過偏置線圈繞組提供偏置磁場的方法降低了磁滯誤差以及實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電流的精確測(cè)量。
【專利說明】巨磁阻效應(yīng)電流傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型的技術(shù)方案涉及用于測(cè)量電流的裝置，具體地說是巨磁阻效應(yīng)電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高性能緊湊型電流傳感器的需求逐漸增大。傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方法包括分流器、電流互感器、羅氏線圈和霍爾傳感器；新型電流檢測(cè)技術(shù)包括磁通門傳感器、巨磁阻效應(yīng)電流傳感器和光纖傳感器。相比之下，巨磁阻效應(yīng)電流傳感器有其自身突出的優(yōu)勢(shì)性能，具有獨(dú)特的磁感應(yīng)能力。巨磁阻效應(yīng)電流傳感器具有對(duì)施加磁場高靈敏度、高工作帶寬范圍、溫度穩(wěn)定性極佳、低功耗和小型化等特點(diǎn)。
[0003]然而，由于巨磁阻對(duì)磁場的高度敏感特性，使得它們同時(shí)易受外界雜散磁場的影響。這些雜散磁場的場源包括電機(jī)和變壓器等電器設(shè)備，或者傳感器周圍的載流導(dǎo)體等等。雜散磁場會(huì)引起傳感器產(chǎn)生較大的輸出誤差，影響了電流測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。同時(shí)，當(dāng)被測(cè)磁場較弱且正負(fù)交替變化時(shí)，由于巨磁電阻相鄰鐵磁層間較弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片表現(xiàn)出明顯的磁滯效應(yīng)。另外現(xiàn)有技術(shù)中所用的巨磁阻芯片為單極性輸出特性，當(dāng)被測(cè)量為交流電流時(shí)，輸出波形類似于全波整流輸出，這樣輸出的波形容易失真，引起較大的輸出誤差。
[0004]CN102043083A公開了一種巨磁阻陣列電流傳感器，以實(shí)現(xiàn)交直流的同時(shí)測(cè)量，并能完成信息的數(shù)字化傳輸、存儲(chǔ)。然而該傳感器的不足之處在于:①該傳感器探頭需要8個(gè)巨磁阻芯片和16個(gè)條形的鋁鎳鈷永磁體構(gòu)成，成本較高，探頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；②利用永磁體提供偏置磁場，這樣產(chǎn)生的磁場不夠穩(wěn)定，永磁體隨著環(huán)境溫度的變化會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象，造成輸出信號(hào)不精確此傳感器對(duì)探頭輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)FPGA處理進(jìn)行空間傅里葉變換，如此信號(hào)處理電路較為復(fù)雜。
[0005]CN101038305B提出了一種基于非晶軟磁條帶所具有的巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)的陣列式電流傳感器，其缺陷有三點(diǎn):①對(duì)兩個(gè)陣列式非晶電流傳感器探頭要求完全一樣并平行對(duì)稱，但是由于制造工藝等原因很難保證兩個(gè)陣列式非晶電流傳感器探頭完全一致，由此產(chǎn)生的溫漂現(xiàn)象會(huì)引起一定的輸出誤差；②傳感器電路部分包括兩路科比茨振蕩電路和整流電路，涉及起振電容、晶振、晶體管、高頻運(yùn)算放大器、整流二極管、穩(wěn)壓電容及濾波電容等器件，電路較為復(fù)雜；③利用永磁體提供偏置磁場同樣存在如CN102043083A中的②所述的缺陷和不足。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是:提供巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，是一種帶磁屏蔽殼與偏置線圈的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，磁屏蔽殼的存在克服了因巨磁阻對(duì)磁場的高度敏感特性使得它們同時(shí)易受外界雜散磁場的影響的缺陷；同時(shí)又通過偏置線圈繞組提供偏置磁場的方法降低了磁滯誤差以及實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電流的精確測(cè)量。[0007]本實(shí)用新型解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，是一種帶磁屏蔽殼與偏置線圈的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其構(gòu)成包括U型磁屏蔽殼、巨磁阻芯片、偏置線圈繞組、載流導(dǎo)體、PCB板、偏置電流源和信號(hào)處理電路，其中，由U型磁屏蔽殼、巨磁阻芯片、偏置線圈繞組、載流導(dǎo)體和PCB板構(gòu)成巨磁阻效應(yīng)電流傳感器的探頭，上述信號(hào)處理電路包括偏置磁場發(fā)生電路、巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路、參考電壓產(chǎn)生電路和改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路；PCB板置于U型磁屏蔽殼內(nèi)，巨磁阻芯片固定放置在PCB板的上方，載流導(dǎo)體置于巨磁阻芯片的下方，偏置線圈繞組均勻的纏繞在巨磁阻芯片上，巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓連接到巨磁阻芯片的電源引腳，偏置電流源連接到偏置線圈繞組兩端，改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路兩個(gè)輸入端分別連接在巨磁阻芯片的正輸出端和巨磁阻芯片的負(fù)輸出端，參考電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓Vref連接在改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的正輸入端，經(jīng)過改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路輸入端信號(hào)的疊加，最后在改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的輸出端輸出電流傳感器的輸出信號(hào)，由此構(gòu)成巨磁阻電流傳感器。
[0008]上述巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，所述U型磁屏蔽殼采用的是坡莫合金材料制作，其電阻率為0.56 μ Ω.m，居里點(diǎn)為400°C，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bs=0.7T，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度下的矯頑力He不大于1.6A/m，直流磁性能滿足在0.08A/m磁場強(qiáng)度中的磁導(dǎo)率不小于37.5mH/m,厚度是Imm,寬度是7mm,高度是IOmm,長度是13mm。
[0009]上述巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，所述巨磁阻芯片即GMR芯片，采用的是美國NVE公司生產(chǎn)的AA002-02。
[0010]上述巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，所述偏置磁場發(fā)生電路由芯片LT3092和偏置線圈繞組L構(gòu)成，芯片LT3092利用一個(gè)內(nèi)部電流源和誤差放大器以及兩個(gè)外部電阻器Rset和電阻器Rout來提供輸出電流，調(diào)節(jié)電阻器Rset和電阻器Rout的阻值的大小可以得到一個(gè)位于0.5mA至200mA的恒定輸出電流，LT3092輸出端連接到偏置線圈繞組L，偏置線圈繞組L另一端接地，偏置線圈繞組L的線圈直徑為0.08mm，匝數(shù)為50匝，直流電阻為3.487 Ω，通過的直流電流大小為50mA，電阻器Rset阻值為20k Ω，電阻器Rout阻值為4k Ω。
[0011]上述巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，所述巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)成方式是:穩(wěn)壓器VR7805的輸入端Vin接巨磁阻電流傳感器系統(tǒng)供電直流電電源+15V，0.33uF的濾波電容Cl并聯(lián)在穩(wěn)壓器VR7805的輸入端Vin與穩(wěn)壓器VR7805的接地端之間，穩(wěn)壓器VR7805的輸出端Vout輸出穩(wěn)定的+5V電壓的直流電，0.1uF的濾波電容C2并聯(lián)在穩(wěn)壓器VR7805的輸出端Vout與穩(wěn)壓器VR7805的接地端之間，由此Vout引腳的輸出電壓為穩(wěn)定的5V直流電。
[0012]上述巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，所述參考電壓產(chǎn)生電路的構(gòu)成方式是:運(yùn)算放大器UlA和電阻Rl和R2和R3組成反相輸入比例運(yùn)算電路，電阻Rl的一端接UlA的正相輸入端，電阻Rl的另一端接地，電阻R2的一端接UlA的反相輸入端，電阻R2的另一端接直流5V的電壓源，電阻R3兩端分別接到UlA的反相輸入端和輸出端，UlA的供電電壓是+15V和-15V ；UlA的輸出端接到UlB的正相輸入端，UlB的反相輸入端與輸出端連在一起構(gòu)成電壓跟隨器，運(yùn)算放大器UlA和運(yùn)算放大器UlB的型號(hào)均為LF353，上述電阻Rl阻值為8.2k Ω，電阻R2阻值為3.6k Ω，電阻R3阻值為IOk Ω。
[0013]上述巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，所述改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的構(gòu)成是:電阻R4的一端接運(yùn)算放大器Al的反相輸入端，電阻R4的另一端接運(yùn)算放大器A2的輸出端，電阻R5的一端接運(yùn)算放大器A2的反相輸入端，電阻R5的另一端接運(yùn)算放大器Al的輸出端，運(yùn)算放大器A2的正輸入端連接到運(yùn)算放大器Al的輸出端，電阻R6的兩端分別接到運(yùn)算放大器A2的反相輸入端和輸出端，電阻Rl的一端接電壓U1，電阻Rl的另一端接運(yùn)算放大器Al的反相輸入端，電阻R2的一端接電壓U2，電阻R2的另一端接運(yùn)算放大器Al的正相輸入端，電阻R3的一端接運(yùn)算放大器Al的正相輸入端，電阻R3的另一端接地，運(yùn)算放大器Al和運(yùn)算放大器A2的型號(hào)均為LF356，上述電阻Rl阻值為27k Ω，電阻R2阻值為27k Ω，電阻R3阻值為270k Ω，電阻R4阻值為270k Ω，電阻R5阻值為Ik Ω，電阻R6阻值為IOk Ω。
[0014]上述巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，所涉及的器件和零部件均是公知途徑獲得的，所有部件的安裝方法是本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員所掌握的。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是:
[0016](I)巨磁阻電流傳感器工作原理是基于載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場，為了使芯片處的磁場盡量增大同時(shí)保證外界雜散磁場對(duì)芯片處引起的干擾最小，有效的方法是應(yīng)用磁屏蔽技術(shù)，即本實(shí)用新型所采用的磁屏蔽殼并且將其設(shè)計(jì)成U型結(jié)構(gòu)。磁屏蔽是用來隔離磁場耦合的措施，是利用磁通沿低磁阻路徑流通的原理來改變外界雜散磁場的方向，從而使磁力線聚集于屏蔽體內(nèi)。由磁阻公式Rm=VuS可知，磁阻與材料的磁導(dǎo)率成反比，因此一般要選用高磁導(dǎo)率材料。為了增大檢測(cè)范圍的量程，應(yīng)選用高飽和磁密的導(dǎo)磁材料，同時(shí)為了得到實(shí)時(shí)精確的檢測(cè)結(jié)果，要選用低磁滯、低矯頑力材料。常用的磁屏蔽材料包括:電磁軟鐵，硅鋼片、坡莫合金、非晶合金等。其中非晶合金磁導(dǎo)率最高，但價(jià)格較為昂貴，電磁軟鐵和硅鋼片價(jià)格便宜，但磁導(dǎo)率較低。從性能和成本方面考慮，本實(shí)用新型選擇了坡莫合金材料作為屏蔽殼。
[0017](2)雖然由高磁導(dǎo)率的坡莫合金磁材料組成的磁屏蔽殼，可以有效聚集期望信號(hào)，同時(shí)減少外界雜散磁場的影響，但是檢測(cè)探頭所用的巨磁阻芯片為單極性輸出特性，當(dāng)被測(cè)量為交流電流時(shí)，輸出波形類似于全波整流輸出，這樣輸出的波形容易失真，引起較大的輸出誤差。另外，由于本實(shí)用新型帶有磁屏蔽殼與偏置線圈的基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器由于巨磁阻芯片為磁性元件，因此存在典型的磁特性，即存在磁滯現(xiàn)象和飽和現(xiàn)象。當(dāng)被測(cè)磁場超過某個(gè)值時(shí)，巨磁阻芯片達(dá)到飽和，輸出不再增加。當(dāng)被測(cè)磁場較弱且在正負(fù)過零點(diǎn)間變化時(shí)，由于巨磁電阻相鄰鐵磁層間較弱的耦合作用，使得巨磁阻芯片表現(xiàn)出明顯的磁滯效應(yīng)。與此同時(shí)，所用的巨磁阻芯片為單極性輸出特性，當(dāng)被測(cè)量為交流電流時(shí)，輸出波形類似于全波整流輸出，這樣輸出的波形容易失真，引起較大的輸出誤差。為此本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了獨(dú)特的偏置磁場結(jié)構(gòu)，通過磁場的疊加使得作用于巨磁阻芯片即GMR芯片的磁場全部提高到線性區(qū)。這樣當(dāng)無被測(cè)磁場時(shí)，巨磁阻芯片輸出一個(gè)直流偏置電壓，當(dāng)有被測(cè)電流時(shí)，巨磁阻芯片的輸出電壓是在原偏置電壓的基礎(chǔ)上又疊加了一個(gè)由被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場而產(chǎn)生的電壓，提供直流偏置磁場可以有效地改善傳感器的線性度和磁滯誤差。
[0018](3)由于巨磁阻芯片輸出信號(hào)為微弱的差分信號(hào)，因此需要應(yīng)用差分運(yùn)算放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。一般差分運(yùn)算放大電路由一個(gè)集成運(yùn)算放大器與外加電阻網(wǎng)絡(luò)組成，這種結(jié)構(gòu)隨著被測(cè)信號(hào)頻率的增大而造成輸入輸出相位差也增大，影響了被測(cè)信號(hào)的帶寬范圍。為了降低相位誤差，本實(shí)用新型提出了一種改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路，其結(jié)構(gòu)是在一般差分運(yùn)算放大電路的反饋回路中引入了運(yùn)放電阻網(wǎng)絡(luò)，可有效補(bǔ)償相位誤差，同時(shí)具有較高的共模抑制比。該改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路正輸入端的參考電壓Vref用于消除偏置磁場產(chǎn)生的偏置電壓，使得本實(shí)用新型的巨磁阻電流傳感器最終輸出得到一個(gè)雙極輸出的電壓，也即輸出有正有負(fù)的電壓。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的顯著進(jìn)步是:
[0020](I)本實(shí)用新型帶有磁屏蔽殼與偏置線圈的基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器在滿量程范圍內(nèi)的最大誤差為0.8%，并且具有較高的靈敏度和精度；
[0021](2)本實(shí)用新型帶有磁屏蔽殼與偏置線圈的基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器的磁屏蔽殼采用坡莫合金材料，其具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高矩形比、磁芯損耗低和高溫穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，并且飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，耐磨性和耐蝕性都強(qiáng)。加磁屏蔽殼不但使傳感器輸出的靈敏度得到了很大的提高，同時(shí)線性度也在一定程度上有了改善。
[0022](3)本實(shí)用新型帶有磁屏蔽殼與偏置線圈的基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器有效的聚集了期望信號(hào)，同時(shí)減少外界雜散磁場的影響。當(dāng)存在2mT的外界雜散場時(shí)，本實(shí)用新型具有屏蔽殼的巨磁阻電流傳感器的輸出誤差信號(hào)約為4mV，與無屏蔽殼的電流傳感器的輸出誤差信號(hào)約為400mV相比，受外界雜散場的影響減小了約為100倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0024]圖1是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的探頭結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖2是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器中各個(gè)構(gòu)成部分之間相互作用示意圖。
[0026]圖3是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖4是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路示意圖。
[0028]圖5是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的偏置磁場發(fā)生電路示意圖。
[0029]圖6是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的參考電壓產(chǎn)生電路示意圖。
[0030]圖7是一般形式差分運(yùn)算放大電路的電路示意圖。
[0031]圖8是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路示意圖。
[0032]圖9是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器在有與無偏置磁場兩種情況下的磁滯曲線。
[0033]圖10是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器在有與無磁屏蔽殼兩種情況下的輸入輸出特性曲線。
[0034]圖11是本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器在加磁屏蔽殼時(shí)電流傳感器相對(duì)誤差曲線圖。
[0035]圖中，1.磁屏蔽殼，2.偏置線圈繞組，3.巨磁阻芯片，4.載流導(dǎo)體，5.PCB板，6.偏置電流源，7.改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路，8.參考電壓產(chǎn)生電路，9.巨磁阻芯片正輸出端，10.巨磁阻芯片負(fù)輸出端。
【具體實(shí)施方式】
[0036]圖1所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的探頭包括磁屏蔽殼1、偏置線圈繞組2、巨磁阻芯片3、載流導(dǎo)體4和PCB板5，磁屏蔽殼I是U型結(jié)構(gòu)，從性能和成本方面考慮，選擇了坡莫合金作為屏蔽殼的材料，使巨磁阻芯片3處的磁場盡量增大，同時(shí)保證外界雜散磁場對(duì)巨磁阻芯片3處引起的干擾最小。由于巨磁阻芯片3有單極性輸出的特性，因此通過偏置線圈繞組2提供直流偏置磁場，偏置線圈繞組2均勻的纏繞在巨磁阻芯片3上，通過磁場的疊加使得作用于巨磁阻芯片3的磁場全部提高到線性區(qū)。巨磁阻芯片3固定在PCB板5上。載流導(dǎo)體4置于巨磁阻芯片3和PCB板5之間，載流導(dǎo)體4中通入電流產(chǎn)生磁場，巨磁阻芯片3在被測(cè)磁場的作用下輸出差分電壓信號(hào)。由于輸出信號(hào)與被測(cè)磁場之間具有線性變化規(guī)律，輸出的電壓正比于被測(cè)電流，從而實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的測(cè)量功能。
[0037]圖2所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器中各個(gè)構(gòu)成部分之間相互作用是:巨磁阻芯片放置在磁屏蔽殼內(nèi)；偏置磁場發(fā)生電路作用于巨磁阻芯片，使得作用于巨磁阻芯片的磁場全部提高到線性區(qū)；被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場經(jīng)過磁屏蔽殼聚磁后作用于巨磁阻芯片，巨磁阻芯片輸出電壓信號(hào)進(jìn)入圖中虛線框所示改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路中的一般形式差分運(yùn)算放大電路；為了消除偏置磁場發(fā)生電路引起的直流偏置電壓，在虛線框所示改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路輸入端加入了參考電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的參考電壓，通過該參考電壓與偏置磁場發(fā)生電路產(chǎn)生的偏置電壓的疊加，起到偏置補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｓ捎谝话阈问讲罘诌\(yùn)算放大電路隨著被測(cè)信號(hào)頻率的增大而造成輸入輸出相位差也增大，因此在一般形式差分運(yùn)算放大電路的反饋回路中引入了運(yùn)放電阻網(wǎng)絡(luò)，如此對(duì)一般形式差分運(yùn)算放大電路起到相位補(bǔ)償作用，由此組成虛線框所示的改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路，最終改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的輸出信號(hào)與被測(cè)電流呈正向比例關(guān)系。
[0038]圖3所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的結(jié)構(gòu)為:巨磁阻芯片3放置在磁屏蔽殼I內(nèi)，載流導(dǎo)體4置于巨磁阻芯片3的下方，偏置線圈繞組2均勻的纏繞在巨磁阻芯片3上，偏置電流源6連接在偏置線圈繞組2兩端，為巨磁阻芯片3提供偏置磁場。載流導(dǎo)體4產(chǎn)生的磁場作用于巨磁阻芯片3輸出電壓信號(hào)，輸出信號(hào)進(jìn)入改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路7進(jìn)行放大，參考電壓產(chǎn)生電路8加到改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路7的輸入端，如此經(jīng)過參考電壓產(chǎn)生電路8與由偏置線圈繞組產(chǎn)生的偏置磁場產(chǎn)生的偏置電壓疊加作用，使得改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路7輸出一個(gè)與被測(cè)電流呈正比例關(guān)系的電壓信號(hào)。
[0039]圖4所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)成方式是:穩(wěn)壓器VR7805的輸入端Vin接巨磁阻電流傳感器系統(tǒng)供電直流電電源+15V，0.33uF的濾波電容Cl并聯(lián)在穩(wěn)壓器VR7805的輸入端Vin與穩(wěn)壓器VR7805的接地端之間，穩(wěn)壓器VR7805的輸出端Vout輸出穩(wěn)定的+5V電壓的直流電，0.1uF的濾波電容C2并聯(lián)在穩(wěn)壓器VR7805的輸出端Vout與穩(wěn)壓器VR7805的接地端之間，由此Vout引腳的輸出電壓為穩(wěn)定的5V直流電。因?yàn)榫薮抛栊酒璧墓╇婋妷簽檎?V，而巨磁阻電流傳感器系統(tǒng)供電電源為正負(fù)15V，因此通過穩(wěn)壓器VR7805的作用產(chǎn)生5V的穩(wěn)定直流電壓供給巨磁阻芯片所需的供電電壓。
[0040]圖5所示的實(shí)施例表明，本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的偏置磁場發(fā)生電路由芯片LT3092和偏置線圈繞組L構(gòu)成。圖5方框內(nèi)顯示用5V的電壓供電的直流電流源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中芯片LT3092利用一個(gè)內(nèi)部電流源和誤差放大器以及兩個(gè)外部電阻器Rset和電阻器Rout來提供輸出電流，調(diào)節(jié)電阻器Rset和電阻器Rout的阻值的大小可以得到一個(gè)位于0.5mA至200mA的恒定輸出電流，IN為LT3092芯片的輸入端引腳，此引腳為芯片的供電電源輸入端。OUT為芯片的輸出端，SET為芯片的設(shè)置端，SET連接到芯片內(nèi)部誤差放大器的同相輸入端，同時(shí)可以設(shè)置電流的偏置工作點(diǎn)。10 μ A為LT3092芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電流源，此基準(zhǔn)電流源流過電阻器Rset產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓施加到另一個(gè)電阻器Rout產(chǎn)生輸出電流，電阻器Rout連接在芯片OUT輸出端和電阻器Rset兩端。LT3092輸出端連接到偏置線圈繞組L，偏置線圈繞組L另一端接地，偏置線圈繞組L的線圈直徑為0.08mm,匝數(shù)為50匝，直流電阻為3.487 Ω，通過的直流電流大小為50mA。圖中電阻器Rset阻值為20kQ，電阻器Rout阻值為4k Ω。
[0041]圖6所示的實(shí)施例表明，本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的參考電壓產(chǎn)生電路的構(gòu)成方式是:運(yùn)算放大器UlA和電阻Rl和R2和R3組成反相輸入比例運(yùn)算電路，電阻Rl的一端接UlA的正相輸入端C，電阻Rl的另一端接地。電阻R2的一端接UlA的反相輸入端b，電阻R2的另一端接直流5V的電壓源，電阻R3兩端分別接到UlA的反相輸入端b和輸出端
a,UlA的供電電壓是+15V端h和-15V端d ；U1A的輸出端a接到UlB的正相輸入端e，UlB的反相輸入端f與輸出端g連在一起構(gòu)成電壓跟隨器。由于電壓跟隨器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，對(duì)后級(jí)電路相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，其輸出電壓不受負(fù)載阻抗影響，于是得到一個(gè)恒定的參考電壓Vref。運(yùn)算放大器UlA和運(yùn)算放大器UlB的型號(hào)均為LF353。圖中電阻Rl阻值為8.2k Ω，電阻R2阻值為3.6k Ω，電阻R3阻值為IOk Ω。
[0042]圖7所示的實(shí)施例表明，一般形式差分運(yùn)算放大電路的電路的構(gòu)成是:由一個(gè)集成運(yùn)算放大器與外加電阻網(wǎng)絡(luò)組成，電阻Rl的一端接電壓U1，電阻Rl的另一端接運(yùn)算放大器的反相輸入端，電阻R2的一端接電壓U2，電阻R2的另一端接運(yùn)算放大器的正相輸入端，電阻R4兩端分別接到運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端，電阻R3的一端接運(yùn)算放大器的正相輸入端，電阻R3的另一端接地。運(yùn)算放大器型號(hào)為LF356。這種結(jié)構(gòu)隨著被測(cè)信號(hào)頻率的增大而造成輸入輸出相位差也增大，影響了被測(cè)信號(hào)的帶寬范圍。圖中電阻Rl阻值為27k Ω，電阻R2阻值為27k Ω，電阻R3阻值為270k Ω，電阻R4阻值為270k Ω。
[0043]圖8所示的實(shí)施例表明，本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的構(gòu)成是:電阻R4的一端接運(yùn)算放大器Al的反相輸入端，電阻R4的另一端接運(yùn)算放大器A2的輸出端，電阻R5的一端接運(yùn)算放大器A2的反相輸入端，電阻R5的另一端接運(yùn)算放大器Al的輸出端Uo即改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的輸出端，運(yùn)算放大器A2的正輸入端連接到運(yùn)算放大器Al的輸出端Uo，電阻R6的兩端分別接到運(yùn)算放大器A2的反相輸入端和輸出端，電阻Rl的一端接電壓U1，電阻Rl的另一端接運(yùn)算放大器Al的反相輸入端，電阻R2的一端接電壓U2，電阻R2的另一端接運(yùn)算放大器Al的正相輸入端，電阻R3的一端接運(yùn)算放大器Al的正相輸入端，電阻R3的另一端接地，運(yùn)算放大器Al和運(yùn)算放大器A2的型號(hào)均為LF356。圖中電阻Rl阻值為27kQ，電阻R2阻值為27kQ，電阻R3阻值為270kQ，電阻R4阻值為270k Ω，電阻R5阻值為Ik Ω，電阻R6阻值為IOk Ω。
[0044]為了降低相位誤差，本實(shí)用新型提出了一種改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路。與圖7所示的一般形式差分運(yùn)算放大電路相比，本實(shí)用新型的改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的改進(jìn)就是電阻R4 —端接放大器Al的反相輸入端一端接放大器A2的輸出端，電阻R5的一端接放大器A2的反相輸入端，電阻R5的另一端接放大器Al的輸出端Uo,放大器A2的正輸入端也連接到放大器Al的輸出端Uo，電阻R6的兩端分別接到放大器A2的反相輸入端和輸出端。本實(shí)用新型的改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路在一般形式差分運(yùn)算放大電路的反饋回路中引入了運(yùn)放電阻網(wǎng)絡(luò)，可有效補(bǔ)償相位誤差，同時(shí)具有較高的共模抑制比。
[0045]圖9所示的實(shí)施例表明，在有與無偏置磁場兩種情況下，當(dāng)被測(cè)電流在某個(gè)量程內(nèi)正行程和反行程過程中電流傳感器輸出和輸入的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果表明加上偏置磁場后提高了電流傳感器的磁滯誤差明顯降低了，同時(shí)線性度有了一定程度的提高。
[0046]圖10所示的實(shí)施例表明，在有與無磁屏蔽殼兩種情況下，將不同被測(cè)電流下傳感器輸出電壓得到的數(shù)據(jù)通過matlab軟件進(jìn)行曲線擬合得到的圖形，測(cè)試結(jié)果表明相比無磁屏蔽結(jié)構(gòu)，有磁屏蔽殼的本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器的靈敏度得到了很大的提高。
[0047]圖11所示的實(shí)施例顯示本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器在加磁屏蔽殼時(shí)電流傳感器相對(duì)誤差曲線圖。用輸出電壓的理論值減去實(shí)際值，再除以實(shí)際值便可得到此電流傳感器測(cè)量范圍內(nèi)的相對(duì)誤差。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出電流范圍是-20A?+20A時(shí)，相對(duì)誤差限制到了 0.8%。
[0048]實(shí)施例
[0049]用上述圖1、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8所示實(shí)施例的各個(gè)部件，裝置成具有磁屏蔽殼與偏置線圈的基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器，其中磁屏蔽殼I的結(jié)構(gòu)形狀和偏置線圈繞組2的形狀及所在位置均在圖1中明示。巨磁阻芯片3即GMR芯片，采用的是美國NVE公司生產(chǎn)的AA002-02 ;U型磁屏蔽殼采用的是坡莫合金材料制作，其電阻率為0.56 μ Ω -m,居里點(diǎn)為400°C，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bs=0.7T，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度下的矯頑力He不大于1.6A/m,直流磁性能滿足在0.08A/m磁場強(qiáng)度中的磁導(dǎo)率不小于37.5mH/m，厚度是1mm，寬度是7mm,高度是IOmm,長度是13_。
[0050]將上述裝置成的巨磁阻電流傳感器進(jìn)行直流電流的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，被測(cè)電流從-20A?20A，測(cè)量改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的輸出電壓。將得到的數(shù)據(jù)輸入國際通用的商業(yè)軟件matlab進(jìn)行最小二乘曲線擬合，得到圖10所示電流傳感器輸出電壓與被測(cè)電流的關(guān)系。該曲線的擬合方程分別為:存在磁屏蔽殼時(shí)如圖10所示傳感器輸出電壓與被測(cè)電流的關(guān)系為:Uout=119.96*1+4.1659，此式表示被測(cè)電流與電流傳感器輸出電壓之間的數(shù)量關(guān)系，可以得到，此電流傳感器的靈敏度為119.96，零漂為4.1659mV，輸出電壓限制在±3V。再進(jìn)行沒有磁屏蔽殼時(shí)的測(cè)試，同樣也用最小二乘曲線擬合得到如圖10所示的傳感器輸出電壓與被測(cè)電流的關(guān)系為:Uout=47.289*1+5.7122，分析得到電流傳感器的靈敏度是47.289，零漂是5.7122mV。可以看出加入磁屏蔽殼可以有效增加電流傳感器的靈敏度，同時(shí)可以減小電流傳感器的零漂。用輸出電壓的理論值減去實(shí)際值，再除以實(shí)際值便可得到此電流傳感器測(cè)量范圍為-20A?20A時(shí)的相對(duì)誤差,如圖11所示的實(shí)施例顯示本實(shí)用新型巨磁阻電流傳感器在加磁屏蔽殼時(shí)電流傳感器相對(duì)誤差曲線圖，可見在-20A到20A的量程內(nèi)，相對(duì)誤差限制在±0.8%內(nèi)。
[0051]上述實(shí)施例中所涉及的器件和零部件均是公知途徑獲得的，所有部件的安裝方法是本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員所掌握的。
【權(quán)利要求】
1.巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其特征在于:是一種帶磁屏蔽殼與偏置線圈的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其構(gòu)成包括U型磁屏蔽殼、巨磁阻芯片、偏置線圈繞組、載流導(dǎo)體、PCB板、偏置電流源和信號(hào)處理電路，其中，由U型磁屏蔽殼、巨磁阻芯片、偏置線圈繞組、載流導(dǎo)體和PCB板構(gòu)成巨磁阻效應(yīng)電流傳感器的探頭，上述信號(hào)處理電路包括偏置磁場發(fā)生電路、巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路、參考電壓產(chǎn)生電路和改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路；PCB板置于U型磁屏蔽殼內(nèi)，巨磁阻芯片固定放置在PCB板的上方，載流導(dǎo)體置于巨磁阻芯片的下方，偏置線圈繞組均勻的纏繞在巨磁阻芯片上，巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓連接到巨磁阻芯片的電源引腳，偏置電流源連接到偏置線圈繞組兩端，改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路兩個(gè)輸入端分別連接在巨磁阻芯片的正輸出端和巨磁阻芯片的負(fù)輸出端，參考電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓Vref連接在改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的正輸入端，經(jīng)過改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路輸入端信號(hào)的疊加，最后在改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的輸出端輸出電流傳感器的輸出信號(hào)，由此構(gòu)成巨磁阻電流傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其特征在于:所述偏置磁場發(fā)生電路由芯片LT3092和偏置線圈繞組L構(gòu)成，芯片LT3092利用一個(gè)內(nèi)部電流源和誤差放大器以及兩個(gè)外部電阻器Rset和電阻器Rout來提供輸出電流，調(diào)節(jié)電阻器Rset和電阻器Rout的阻值的大小可以得到一個(gè)位于0.5mA至200mA的恒定輸出電流，LT3092輸出端連接到偏置線圈繞組L，偏置線圈繞組L另一端接地，偏置線圈繞組L的線圈直徑為0.08_，匝數(shù)為50匝，直流電阻為3.487 Ω，通過的直流電流大小為50mA，電阻器Rset阻值為20k Ω，電阻器Rout阻值為4k Ω。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其特征在于:所述巨磁阻芯片供電電壓轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)成方式是:穩(wěn)壓器VR7805的輸入端Vin接巨磁阻電流傳感器系統(tǒng)供電直流電電源+15V，0.33uF的濾波電容Cl并聯(lián)在穩(wěn)壓器VR7805的輸入端Vin與穩(wěn)壓器VR7805的接地端之間，穩(wěn)壓器VR7805的輸出端Vout輸出穩(wěn)定的+5V電壓的直流電，0.1uF的濾波電容C2并聯(lián)在穩(wěn)壓器VR7805的輸出端Vout與穩(wěn)壓器VR7805的接地端之間，由此Vout引腳的輸出電壓為穩(wěn)定的5V直流電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其特征在于:所述參考電壓產(chǎn)生電路的構(gòu)成方式是:運(yùn)算放大器UlA和電阻Rl和R2和R3組成反相輸入比例運(yùn)算電路，電阻Rl的一端接UlA的正相輸入端，電阻Rl的另一端接地，電阻R2的一端接UlA的反相輸入端，電阻R2的另一端接直流5V的電壓源，電阻R3兩端分別接到UlA的反相輸入端和輸出端，UlA的供電電壓是+15V和-15V ；U1A的輸出端接到UlB的正相輸入端，UlB的反相輸入端與輸出端連在一起構(gòu)成電壓跟隨器，運(yùn)算放大器UlA和運(yùn)算放大器UlB的型號(hào)均為LF353，上述電阻Rl阻值為8.2kQ，電阻R2阻值為3.6kQ，電阻R3阻值為IOkQ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻效應(yīng)電流傳感器，其特征在于:所述改進(jìn)型差分運(yùn)算放大電路的構(gòu)成是:電阻R4的一端接運(yùn)算放大器Al的反相輸入端，電阻R4的另一端接運(yùn)算放大器Α2的輸出端，電阻R5的一端接運(yùn)算放大器Α2的反相輸入端，電阻R5的另一端接運(yùn)算放大器Al的輸出端，運(yùn)算放大器Α2的正輸入端連接到運(yùn)算放大器Al的輸出端，電阻R6的兩端分別接到運(yùn)算放大器Α2的反相輸入端和輸出端，電阻Rl的一端接電壓U1，電阻Rl的另一端接運(yùn)算放大器Al的反相輸入端，電阻R2的一端接電壓U2，電阻R2的另一端接運(yùn)算放大器Al的正相輸入端，電阻R3的一端接運(yùn)算放大器Al的正相輸入端，電阻R3的另一端接地， 運(yùn)算放大器Al和運(yùn)算放大器A2的型號(hào)均為LF356，上述電阻Rl阻值為27kQ，電阻R2阻值為27k Ω，電阻R3阻值為270k Ω，電阻R4阻值為270k Ω，電阻R5阻值為Ik Ω，電阻R6阻值為IOkQ。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK203535102SQ201320670708
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】楊曉光, 解存福, 李元園 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)