一种基于巨磁电阻效应的电流测量装置

1.本发明属于电子行业电气测量技术领域，涉及一种电流测量装置，尤其涉及一种基于巨磁电阻(giant magneto resistance,gmr)效应的电流测量装置，可应用于航空电子设备中的电流测量。


背景技术：

2.电流测量是电气电子领域古老而又重要的课题，精确快速的电流测量对于电路参数检测具有重要意义，尤其是对于近几年来出现的基于电流指纹的故障诊断方法。目前而言其测量方法主要有几种：
①
直接法，即在电流测量电路中串入检流电阻或晶体管，直接测量电路的电流，可用于测量交直流电流；
②
间接法，主要包括电流互感器、罗氏线圈、霍尔效应等方式，其中电流互感器、罗氏线圈多用于测量交流电流，霍尔效应可用于交直流电流测量。而gmr效应是近年来开始应用于电流测量领域的新技术，这种方法的优点是非常突出的：精度高、隔离方式测量(不影响测量电路)、emi性能好、鲁棒性好、带宽大、体积小、成本相对较低，因此该方法近年来已经迅速成熟。
3.然而，已有产品多基于开环测量方式，即电流不同时产生的磁场强度不同，从而导致电阻值的变化，进一步产生差分电压，差分电压经过放大和校正之后直接表示电流的大小，由于磁路的非线性特性和测量电路的温漂特性，这种方法的精度受到了限制。因此，本发明中设计了一种基于巨磁电阻效应的电流测量装置，该装置工作于闭环方式，具有精度高、安全性高和抗干扰能力强的特点。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.为解决现有电流测量方法中存在的精度低、动态范围小、鲁棒性差的缺陷，本发明提供了一种基于巨磁电阻效应的电流测量装置，该电路原理简单、工作于闭环方式，具有精度高、安全性高和抗干扰能力强的特点，可为快速高精度电流测量的应用(电流指纹测量)提供助力。
6.(二)技术方案
7.本发明提供了一种基于巨磁电阻效应的电流测量装置，所述装置包括高频磁芯、主电流第一线圈、第一巨磁电阻、第二巨磁电阻、第三巨磁电阻、第四巨磁电阻、差压测量放大电路、电流驱动和电压测量电路、检流电阻、主电流第二线圈、测量电流励磁线圈，其特征在于，
8.所述高频磁芯用于传导磁场，整体大致呈矩形，包括第一长边、第二长边、位于左侧的第一短边、位于右侧的第二短边；
9.所述主电流第一线圈靠左布置在所述高频磁芯的第一长边上，并且所述主电流第一线圈的线圈缠绕方向及通入的主电路电流is的方向应使得所述主电流第一线圈产生方向向右的磁场；
10.所述主电流第二线圈靠左布置在所述高频磁芯的第二长边上，且所述主电流第二线圈与主电流第一线圈串联布置，所述主电流第二线圈的线圈缠绕方向及通入的主电路电流is的方向应使得所述主电流第二线圈产生方向向左的磁场；
11.所述测量电流励磁线圈布置在所述高频磁芯位于右侧的第二短边上，用于产生与所述主电流第一线圈、主电流第二线圈方向相反的磁场；
12.所述第一巨磁电阻、第二巨磁电阻布置在所述高频磁芯的第二长边上，并依次布置在所述主电流第二线圈的右侧；所述第三巨磁电阻、第四巨磁电阻布置在所述高频磁芯的第一长边上，并依次布置在所述主电流第一线圈的右侧；且所述第一巨磁电阻、第二巨磁电阻、第三巨磁电阻、第四巨磁电阻通过导线配置成惠斯登电桥，用于测量所述高频磁芯中的磁场强度，当所述高频磁芯中的磁场大小和方向发生变化时，所述第一巨磁电阻、第二巨磁电阻、第三巨磁电阻、第四巨磁电阻的阻值发生相应变化，电桥产生差分电压；
13.所述差压测量放大电路通过导线与所述惠斯登电桥连接，用以产生电桥所需的稳定参考电压，并对电桥产生的差分电压信号进行放大和调节，得到所需要的响应动态；
14.所述电流驱动和电压测量电路的输入端通过导线与所述差压测量放大电路的输出端连接，用于根据所述差压测量放大电路的输出电压vr产生驱动电流id；
15.所述电流驱动和电压测量电路的输出端通过导线与所述测量电流励磁线圈连接，且在二者之间的连接导线上设置有接地的测量检流电阻，所述电流驱动和电压测量电路根据所述测量检流电阻的端电压进行调理和校正后输出电压vo，输出电压vo与主电路电流is存在一一对应的关系，输出电压vo输出至外部电路采集，校正后可知主电路电流is的值。
16.优选地，所述第一巨磁电阻、第二巨磁电阻、第三巨磁电阻、第四巨磁电阻深埋于所述高频磁芯中，并从其对磁场不敏感的方向接出引线。
17.优选地，所述差压测量放大电路，包括带温补的参考电压产生电路、电压调节器、电压预放大器，其中，所述带温补的参考电压产生电路通过导线与所述惠斯登电桥连接，用于产生温漂小的高精度参考电压并提供给惠斯登电桥使用；所述电压预放大器的输入端通过导线与所述惠斯登电桥连接，其传递函数为k(放大环节)，用于对微小差分信号进行预放大，提高所述差压测量放大电路的精度和稳定性，并通过调节该值来调节电流测量范围；所述电压调节器的输入端通过导线与所述电压预放大器的输出端连接，用于调节控制闭环的响应动态，其传递函数设置成其中，gs为电压调节器的传递函数，k
p2
为比例系统，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，s为拉普拉斯变换符号。
18.本发明的基于gmr效应的电流测量装置，其工作原理可简述如下：
19.将第一巨磁电阻、第二巨磁电阻、第三巨磁电阻、第四巨磁电阻(gmr1、gmr2、gmr3、gmr4)适当布置，并配置成惠斯登电桥形式，当高频磁芯中的磁场强度不为0时，则会在电桥中产生差压δu，δu经差压测量放大电路进行放大和调节，产生输出vr。由vr产生经电流驱动和电压测量电路产生驱动电流id，id流经测量电流励磁线圈产生与主电流第一线圈、主电流第二线圈方向相反大小相等的磁场，形成负反馈闭环，从而使得高频磁芯中的磁场强度约为0，id流经检流电阻产生电压，通过测量该电压则可测出id，从而测量出is。
20.(三)有益效果
21.同现有技术相比，本发明的基于gmr效应的电流测量装置具有下列有益效果：
22.(1)精度高：该装置采用闭环方式测量电流，高频磁芯中的磁场强度约为0，工作在线性区，避免了因为磁饱和、磁滞等非线性因素带来的误差。另外，采用带温补的参考电压产生电路产生电桥所需的参考电压，进一步提高了测量精度。
23.(2)安全性高：采用隔离方式测量电流，安全性高且对原电路影响小。
24.(3)抗干扰性好：巨磁电阻配置成电桥形式，并采用深埋于磁芯中和从磁场不敏感方向引线的工艺，最大限度避免了杂散磁场的干扰。
附图说明
25.图1是本发明的基于gmr效应的电流测量装置的原理框图；
26.图2是本发明的差压测量放大电路的原理框图；
27.附图标记说明：
28.高频磁芯1，主电流第一线圈2，第三巨磁电阻(gmr3)3，第二巨磁电阻(gmr2)4，差压测量放大电路5，参考电压产生电路51，电压调节器52，电压预放大器53，电流驱动和电压测量电路6，检流电阻7，第一巨磁电阻(gmr1)8，第四巨磁电阻(gmr4)9，主电流第二线圈10，测量电流励磁线圈11。
具体实施方式
29.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.图1是本发明的基于gmr效应的电流测量装置的原理框图。如图1所示，本发明的基于gmr效应的电流测量装置包括11个部分：高频磁芯1，主电流第一线圈2，第三巨磁电阻(gmr3)3，第二巨磁电阻(gmr2)4，差压测量放大电路5，电流驱动和电压测量电路6，检流电阻7，第一巨磁电阻(gmr1)8，第四巨磁电阻(gmr4)9，主电流第二线圈10，测量电流励磁线圈11。其中：高频磁芯1用于传导磁场。主电流第一线圈2用于产生磁场，通过适当配置，当电流按照图1中is方向流动时，产生的磁场方向向右。第三巨磁电阻(gmr3)3、第二巨磁电阻(gmr2)4、第一巨磁电阻(gmr1)8、第四巨磁电阻(gmr4)9配置成惠斯登电桥形式，用于测量高频磁芯1中的磁场强度，当高频磁芯1中的磁场大小和方向发生变化时，gmr1、gmr2、gmr3、gmr4的阻值发生相应变化，电桥产生差分电压。为了避免杂散磁场的干扰，gmr1、gmr2、gmr3、gmr4采用特殊工艺深埋于高频磁芯1中，并从其对磁场不敏感的方向接出引线。差压测量放大电路5的功能是产生电桥所需的稳定参考电压，对差分电压信号进行放大和调节，得到所需要的响应动态。
31.图2是本发明的差压测量放大电路的原理框图。如图2所示，本发明的差压测量放大电路，其包含三个部分：带温补的参考电压产生电路51，用于产生温漂小的高精度参考电压并提供给电桥使用。电压调节器52，该电路的传递函数设置成：
[0032][0033]
其中，gs为电压调节器的传递函数，k
p2
为比例系统，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，s为拉普拉斯变换符号。
[0034]
用于调节控制闭环的响应动态，电压预放大器53的传递函数为k(放大环节)，用于对微小差分信号进行预放大，提高差压测量放大电路5的精度和稳定性，并通过调节该值来调节电流测量范围。电流驱动和电压测量电路6用于根据测量放大电路5的输出电压vr产生驱动电流id，对测量检流电阻7的端电压进行调理和校正并输出电压vo，vo与主电路电流is存在一一对应的关系，可输出至外部电路(mcu、mpu、dsp等)采集，校正后可知is的值。主电流第二线圈10用于产生磁场，通过适当配置，当电流按照图1中is方向流动时，产生的磁场方向向左。测量电流励磁线圈11用于产生与主电流第一线圈2、主电流第二线圈10方向相反的磁场。
[0035]
本发明的基于gmr效应的电流测量装置的工作原理可简述如下：
[0036]
将gmr1、gmr2、gmr3、gmr4适当放置，并配置成电桥形式，当高频磁芯1中的磁场强度不为0时，则会在电桥中产生差压δu，δu经电压预放大器53进行预放大，电压调节器52进行调节，产生输出vr。由vr产生经电流驱动和电压测量电路6产生驱动电流id，id流经测量电流励磁线圈11产生与主电流第一线圈2、主电流第二线圈10方向相反大小相等的磁场，形成负反馈闭环，从而使得高频磁芯1中的磁场强度约为0，id流经检流电阻7产生电压，通过测量该电压则可测出id，从而测量出is。由于主电流第一线圈2和主电流第二线圈10的线圈匝数相等且匝数n1较少，测量电流励磁线圈11线圈匝数n2较多，这样就可以通过测量小电流id来测量大电流is。
[0037]
以上对本发明的基于gmr效应的电流测量装置进行了详细说明。从上述的结构特征可以看出，本发明具有下列有益效果：
[0038]
(1)精度高：该装置采用闭环方式测量电流，高频磁芯中的磁场强度约为0，工作在线性区，避免了因为磁饱和、磁滞等非线性因素带来的误差。另外，采用带温补的参考电压产生电路产生电桥所需的参考电压，进一步提高了测量精度。
[0039]
(2)安全性高：采用隔离方式测量电流，安全性高且对原电路影响小。
[0040]
(3)抗干扰性好：巨磁电阻配置成电桥形式，并采用深埋于磁芯中和从磁场不敏感方向引线的工艺，最大限度避免了杂散磁场的干扰。
[0041]
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
[0042]
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。