磁传感器阵列结构、电流检测系统和方法与流程

1.本技术涉及电流测量技术领域，特别是涉及一种磁传感器阵列结构、电流检测系统和方法。


背景技术：

2.目前，电流是电力系统中的重要参数，其准确测量具有重要意义，对于输电线路等导体的电流测量均采用接触式或者非接触式的测量方式，其中，接触式存在需要与被测导体进行电气连接，这种方式需要破坏被测导体的线路结构，缺乏安全性和便捷性。
3.随着传感技术的发展，非接触式电流测量得到广泛应用，当前主要通过磁传感器配合磁芯来测量电流，这极大地增加了测量设备的体积，降低了设备使用的便捷性，且无法测量直流，磁芯会遇到交流饱和和剩磁等问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种无需磁芯的非接触式测量电流的磁传感器阵列结构、电流检测系统和方法。
5.第一方面，本技术提供了一种磁传感器阵列结构。所述磁传感器阵列结构包括：
6.第一磁传感器，用于测量所处环境的磁感应强度；
7.第二磁传感器，用于测量所处环境的磁感应强度；
8.第三磁传感器，用于测量所处环境的磁感应强度；
9.其中，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器分别位于同一等边三角形的三个顶点处，且所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器设于待测导体外围，以使所述待测导体穿过所述等边三角形，所述第一磁传感器的一磁敏感方向垂直于所述第一磁传感器所在点与所述等边三角形的重心的连线方向，所述第二磁传感器的一磁敏感方向垂直于所述第二磁传感器所在点与所述等边三角形的重心的连线方向，所述第三磁传感器的一磁敏感方向垂直于所述第三磁传感器所在点与所述等边三角形的重心的连线方向。
10.该磁传感器阵列结构不需要磁芯，不存在饱和问题，大大提高了瞬态性能，可以广泛应用于各类保护故障测量；且无磁芯的结构也消除了铁磁谐振，有利于对电流波形进行精准测量，同时也提高了抗电磁干扰的能力；另外，测量待测导体电流时，只需第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器设于待测导体外围，因此，对于磁传感器阵列结构的安装位置没有特殊要求，且该磁传感器阵列结构采用非接触式测量方式，无需破坏被测导体的线路结构，使用较为方便。
11.在其中一个实施例中，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器均包括隧道磁阻芯片。
12.在其中一个实施例中，所述磁传感器阵列结构还包括：中部设有缺口的结构体，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器设于所述结构体中，且分别位于
所述缺口的外围，所述结构体用于限位固定所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器，以使所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器分别位于同一等边三角形的三个顶点处。
13.第二方面，本技术提供了一种电流检测系统。所述电流检测系统包括如上所述的磁传感器阵列结构和处理模块；
14.所述处理模块与所述磁传感器阵列结构连接，用于获取所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器的测量数据，并获取所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器中的任意一者与所述等边三角形的重心的距离，根据获取的测量数据和距离得到所述待测导体的电流。
15.该电流检测系统相对现有技术的优势与上述的磁传感器阵列结构相对现有技术的优势相同，此处不再赘述。
16.在其中一个实施例中，所述处理模块包括：
17.第一获取单元，用于将获取的所述测量数据和距离代入预设的迭代关系式，得到目标迭代关系式；
18.第二获取单元，用于获取迭代变量初始值，将迭代变量初始值代入所述目标迭代关系式进行迭代求解，直至满足预设的迭代退出条件，获取最终得到的迭代变量；
19.处理单元，用于将所述最终得到的迭代变量代入预设的测量关系式，得到所述待测导体的电流。
20.在其中一个实施例中，预设的迭代关系式为：
21.y(n 1)＝y(n)-f(y(n))/(y(n))；
22.其中，y(n)＝(x(n),cosθ1(n))，f＝[f1，f2]
t
，
[0023][0024][0025][0026]
上式中，b1表示所述第一磁传感器的测量值，b2表示所述第二磁传感器的测量值，b3表示所述第三磁传感器的测量值，r表示所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器中的任意一者与所述等边三角形的重心的距离，n表示迭代次数，x表示待测导体与所述等边三角形的交点、和所述等边三角形的重心之间的距离，θ1表示所述第一磁传
感器所在点、所述等边三角形的重心以及所述待测导体和所述等边三角形的交点三点构成的夹角。
[0027]
在其中一个实施例中，预设的测量关系式为：
[0028][0029]
其中，i表示待测导体的电流。
[0030]
第三方面，本技术提供了一种电流检测方法。所述方法包括：
[0031]
提供如权利要求1至3任一项所述的磁传感器阵列结构；
[0032]
将所述磁传感器阵列结构置于待测导体外围，以使所述待测导体穿过所述磁传感器阵列结构；
[0033]
获取所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器的测量数据；
[0034]
获取所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器中的任意一者与所述等边三角形的重心的距离；
[0035]
根据获取的测量数据和距离得到所述待测导体的电流。
[0036]
该电流检测方法相对现有技术的优势与上述的电流检测系统相对现有技术的优势相同，此处不再赘述。
[0037]
在其中一个实施例中，所述根据获取的测量数据计算出所述待测导体的电流，包括：
[0038]
将获取的所述测量数据和距离代入预设的迭代关系式，得到目标迭代关系式；
[0039]
获取迭代变量初始值，将迭代变量初始值代入所述目标迭代关系式进行迭代求解，直至满足预设的迭代退出条件，获取最终得到的迭代变量；
[0040]
将所述最终得到的迭代变量代入预设的测量关系式，得到所述待测导体的电流。
[0041]
在其中一个实施例中，所述预设的迭代关系式为：
[0042]
y(n 1)＝y(n)-f(y(n))/j(y(n))；
[0043]
其中，y(n)＝(x(n),cosθ1(n))，f＝[f1，f2]
t
，
[0044][0045][0046]
[0047][0048]
上式中，b1表示所述第一磁传感器的测量值，b2表示所述第二磁传感器的测量值，b3表示所述第三磁传感器的测量值，r表示所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器中的任意一者与所述等边三角形的重心的距离，n表示迭代次数，x表示待测导体与所述等边三角形的交点、和所述等边三角形的重心之间的距离，θ1表示所述第一磁传感器所在点、所述等边三角形的重心以及所述待测导体和所述等边三角形的交点三点构成的夹角。
[0049]
预设的测量关系式为：
[0050][0051]
其中，μ0表示真空磁导率，i表示待测导体的电流。
附图说明
[0052]
图1为一个实施例中磁传感器阵列结构的结构示意图；
[0053]
图2为一个实施例中电流检测系统的结构示意图；
[0054]
图3为另一个实施例中电流检测系统的结构示意图；
[0055]
图4为一个实施例中处理模块为计算机设备时的内部结构图；
[0056]
图5为一个实施例中电流检测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0057]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0058]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
[0059]
可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
[0060]
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
[0061]
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到
magneto resistance，gmr)元件。
[0073]
在一个实施例中，磁传感器阵列结构还包括：中部设有缺口的结构体，第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3设于结构体中，且分别位于缺口的外围，结构体用于限位固定第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3，以使第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3分别位于同一等边三角形的三个顶点处。
[0074]
具体地，结构体为具有一定强度的不易变形的结构，以使得第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3设于结构体上时，第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3的相对位置不易发生改变。另外，通过将第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3设于结构体上，使得安装磁传感器阵列结构时只需对结构体进行操作，从而降低了安装难度。
[0075]
示例性地，结构体包括印制电路板，第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3分别焊接在印制电路板上，印制电路板的中部设有缺口，以供待测导体穿过。
[0076]
在一个实施例中，如图2和图3所示，提供一种电流检测系统，包括如上所述的磁传感器阵列结构和处理模块；
[0077]
处理模块与磁传感器阵列结构连接，用于获取第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3的测量数据，并获取第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3中的任意一者与等边三角形的重心o的距离，根据获取的测量数据和距离得到待测导体的电流。
[0078]
其中，如图2所示，该处理模块可以为单片机、dsp、fpga等嵌入式系统，处理模块与磁传感器阵列结构集成在一起，处理模块分别与第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3连接，实现对电流的测量。其中，该处理模块包括处理单元和存储单元，存储单元存储有计算机程序，处理单元执行该计算机程序时实现以下步骤：
[0079]
获取第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3的测量数据；
[0080]
获取第一磁传感器t1、第二磁传感器t3和第三磁传感器t3中的任意一者与等边三角形的重心o的距离；
[0081]
根据获取的测量数据和距离得到待测导体的电流。
[0082]
处理模块还可以是独立的计算机设备，例如个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑等，当处理模块是独立的计算机设备时，如图3所示，处理模块与磁传感器阵列结构无线通信连接，磁传感器阵列结构通过无线通讯方式将各磁传感器测量的磁感应强度发送给处理模块，而第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3中的任意一者与等边三角形的重心o的距离可以预先确定，并可预存于处理模块中，处理模块可直接获取该距离，处理模块接收到数据后，根据接收数据和获取的距离得到待测导体的电流。可以理解地，在磁传感器阵列结构包括存储器时，第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3中的任意一者与等边三角形的重心o的距离也可以预先存储于存储器中，磁传感器阵列结构的各磁传感器测量的磁感应强度也可存储于存储单元中，当处理模块与磁传感器阵列结构连接时，磁传感器阵列结构将预存的距离和测量的数据一并发送给处理模块。另外，可以理解地，还可以通过外部输入的方式将相关数据输入处理模块。
[0083]
其中，处理模块作为独立的计算机设备时，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示
屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与磁传感器阵列结构进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、移动蜂窝网络、nfc(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现以下步骤：
[0084]
获取第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器的测量数据；
[0085]
获取第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器中的任意一者与等边三角形的重心o的距离；
[0086]
根据获取的测量数据和距离得到待测导体的电流。
[0087]
该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0088]
示例性地，处理模块为包括蓝牙模块的智能手机，磁传感器阵列结构也包括蓝牙模块，处理模块与磁传感器阵列通过蓝牙进行连接，磁传感器阵列结构将测量数据和第一磁传感器与等边三角形的距离发送给手机，手机基于接收数据进行处理，得到待测导体的电流并显示。
[0089]
在一个实施例中，处理模块包括：
[0090]
第一获取单元，用于将获取的测量数据和距离代入预设的迭代关系式，得到目标迭代关系式；
[0091]
第二获取单元，用于获取迭代变量初始值，将迭代变量初始值代入目标迭代关系式进行迭代求解，直至满足预设的迭代退出条件，获取最终得到的迭代变量；
[0092]
处理单元，用于将最终得到的迭代变量代入预设的测量关系式，得到待测导体的电流。
[0093]
其中，迭代变量为y(n)＝(x(n),osθ1(n))，依据实际工作环境，通常情况下待测导体位于图2的o点附近，即x≈0，在此基础上，设置迭代变量初始值为y(0)＝(x(0),cosθ1(0))＝(0,1)。
[0094]
在一个实施例中，预设的迭代关系式为：
[0095]
y(n 1)＝y(n)-f(y(n))/j(y(n))；
[0096]
其中，y(n)＝(x(n),cosθ1(n))，f＝[f1，f2]
t
，
[0097][0098]
[0099][0100]
上式中，b1表示第一磁传感器t1的测量值，b2表示第二磁传感器t2的测量值，b3表示第三磁传感器t3的测量值，r表示第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3中的任意一者与等边三角形的重心o的距离，n表示迭代次数，x表示待测导体与等边三角形的交点s、和等边三角形的重心o之间的距离，θ1表示第一磁传感器t1所在点、等边三角形的重心o以及待测导体和等边三角形的交点s三点构成的夹角。
[0101]
其中，可设置求解阈值ε作为迭代退出条件，也可设置迭代次数上限n作为迭代退出条件，还可以同时设置求解阈值ε和迭代次数上限n同时作为迭代退出条件，在满足|f|≤ε或者迭代次数n达到n停止迭代。阈值ε和迭代次数上限n可以根据实际情况定，比如根据实际运行情况试验获得。本实施例中，ε≤10-3
，ε可以设置为10-3
、10-4
、10-5
等，优选为10-4
；迭代次数上限n≥7，可以设置为8、9、10、11、12等，优选为10。
[0102]
在一个实施例中，预设的测量关系式为：
[0103][0104]
其中，μ0表示真空磁导率，i表示待测导体的电流。
[0105]
可以理解，b1、r、m均是已知值，因此，在通过前面的方式迭代计算后，得到了x和cosθ1的值，将最终得到的迭代变量代入预设的测量关系式后，可得到i的值，即待测导体的电流值。
[0106]
应用中，得到迭代关系式的过程如下：
[0107]
根据毕奥萨伐尔定律，磁传感器测量的磁感应强度表示为：
[0108][0109]
式中：μ0表示真空磁导率；表示被测电流向量；表示磁传感器敏感轴方向单位向量，即向量，即表示导线到磁传感器的位置矢量。当流过一次电流的无限长直导体(也称载流导体)与和构成的平面垂直时，则有
[0110][0111]
其中，m是方便计算使用的系数。
[0112]
如图1所示，当第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3分别位于同一等边三角形的三个顶点处，且第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3设于待测导体外围，以使待测导体穿过等边三角形，第一磁传感器t1的一磁敏感方向垂直于第一磁传感器t1所在点与等边三角形的重心o的连线方向，第二磁传感器t2的一磁敏感方向垂直于
第二磁传感器t2所在点与等边三角形的重心o的连线方向，第三磁传感器t3的一磁敏感方向垂直于第三磁传感器t3所在点与等边三角形的重心o的连线方向，且s点为待测导体与等边三角形的交点时，依据公式(2)可得到各磁传感器所在环境的磁感应强度：
[0113][0114][0115][0116]
基于位置关系，可得：
[0117][0118][0119][0120][0121][0122][0123]
θ1 θ2＝120
°ꢀꢀꢀ
(12)
[0124]
θ
3-θ1＝120
°ꢀꢀꢀ
(13)
[0125]
联立公式(3)-(11)化简得：
[0126][0127][0128][0129]
其中，θ2表示第二磁传感器t2所在点、等边三角形的重心o以及待测导体和等边三角形的交点s三点构成的夹角，θ3表示第三磁传感器t3所在点、等边三角形的重心o以及待测导体和等边三角形的交点s三点构成的夹角。
[0130]
联立公式(12)-(16)得到：
[0131]
[0132][0133][0134]
在公式(17)和(18)的基础上，令
[0135][0136][0137]
(19)和(20)两个方程中含有两个未知量x和cosθ1，这里将x和cosθ1看作一个整体，记y＝(x,cosθ1)，令f＝[f1，f2]
t
，基于牛顿迭代法求解：
[0138]
首先，构建雅克比矩阵j(y(n))，
[0139][0140]
依据实际工作环境，通常情况下载流导线位于图2的o点附近，即x≈0。因此，设置初点y(0)＝(x(0),cosθ1(0))＝(0,1)，使用以下迭代公式：
[0141]
y(n 1)＝y(n)-f(y(n))/j(y(n))
ꢀꢀꢀ
(22)
[0142]
即预设的迭代关系式。
[0143]
处理模块将获取的数据代入(22)中后，只存在两个未知量x和cosθ1，将y(0)＝(x(0),cosθ1(0))＝(0,1)代入式(22)进行迭代求解，直至满足迭代退出条件，得到最终的x和cosθ1。处理模块将相关获取的数据代入式(14)，并最终得到的x和cosθ1代入式(14)，即可求解出i的值，即待测导体的电流。
[0144]
在一个实施例中，如图5所示，提供一种电流检测方法，方法包括：
[0145]
s501：提供如上所述的磁传感器阵列结构；
[0146]
s502：将磁传感器阵列结构置于待测导体外围，以使待测导体穿过磁传感器阵列结构；
[0147]
s503：获取第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3的测量数据；
[0148]
s504：获取第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器中的任意一者与等边三角形的重心o的距离；
[0149]
s505：根据获取的测量数据和距离得到待测导体的电流。
[0150]
在一个实施例中，根据获取的测量数据计算出待测导体的电流，包括：将获取的测量数据和距离代入预设的迭代关系式，得到目标迭代关系式；获取迭代变量初始值，将迭代变量初始值代入目标迭代关系式进行迭代求解，直至满足预设的迭代退出条件，获取最终得到的迭代变量；将最终得到的迭代变量代入预设的测量关系式，得到待测导体的电流。
[0151]
在一个实施例中，预设的迭代关系式为：
[0152]
y(n 1)＝y(n)-f(y(n))/j(y(n))；
[0153]
其中，y(n)＝(x(n),cosθ1(n))，f＝[f1，f2]
t
，
[0154][0155][0156][0157]
上式中，b1表示第一磁传感器t1的测量值，b2表示第二磁传感器t2的测量值，b3表示第三磁传感器t3的测量值，r表示第一磁传感器t1、第二磁传感器t2和第三磁传感器t3中的任意一者与等边三角形的重心o的距离，n表示迭代次数，x表示待测导体与等边三角形的交点s、和等边三角形的重心o之间的距离，θ1表示第一磁传感器t1所在点、等边三角形的重心o以及待测导体和等边三角形的交点s三点构成的夹角。
[0158]
预设的测量关系式为：
[0159][0160]
其中，i表示待测导体的电流。
[0161]
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0162]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read-only memory，rom)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(reram)、磁变存储器(magnetoresistive random access memory，mram)、铁电存储器(ferroelectric random access memory，fram)、相变存储器(phase change memory，pcm)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(random access memory，ram)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(static random access memory，sram)或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，dram)等。本技术所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本技术所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
[0163]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0164]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。