TMR单芯片微弱电流传感器的研制

针对微弱电流的检测,提出了一种单芯片微弱电流传感器,其原理是:利用隧道磁电阻(TMR)元件作为磁场敏感元件,并将电流导体和TMR元件进行集成,以减小电流导体与磁场敏感元件的间距,提高电流测量的分辨率。结合MEMS工艺,通过优化设计TMR元件结构和电流导体结构,研制出了电流分辨率达到20μA的微弱电流传感器,为微弱电流检测提供了一种有效、廉价的解决方案。     

基于霍尔传感器阵列的电流测量系统

集磁环的存在导致开环式和闭环式霍尔效应传感器存在磁饱和现象。一种由多个霍尔元件构成圆形阵列方式的传感器阵列电流测量系统,通过测量一次导线产生的磁场计算得到被测电流数值克服了这一现象。首先建立霍尔传感器阵列数学模型,分析霍尔元件数量、载流体偏心引入的误差变化,然后设计加权增益调整电路、移相电路和基于电压反馈的功率放大电路,用于实现大功率信号输出,最后根据试验结果证明,所设计的电流测量系统整体准确度达到0.2级水平。该电流测量系统包含16个霍尔元件,检测电流变比为600 A/5 A,系统功耗仅0.4 W。     

基于TMR传感器阵列与数值积分的电流测量技术研究

为满足智能电网对先进传感技术和复杂电磁环境下高精度电流测量的需求,提出一种基于TMR传感器阵列和Newton-Cotes数值求积算法的电流测量方法。通过建立复杂干扰磁场环境的仿真模型,验证了不同状况下求积算法的准确性;设计了电流传感器的系统结构和硬件电路;制作了测量装置样机,搭建了实验平台,并进行了性能测试。结果表明,文中提出的方案具有较高的测量精度和抗外磁场干扰能力,在无聚磁环的情况下,0～16 A电流测量范围内最大相对误差分别为直流0.31%和工频交流1.00%,在电流导线位置和传感器姿态发生变化时仍能保持较高精度。     

隧穿磁阻(TMR)电流传感器失调与噪声消除技术

采用隧穿磁阻（tunnel magnetoresistance，TMR）磁性元件的电流传感器具有精度高、体积小、功耗低等优点，在泛在电力物联网全面感知系统建立中具有很好的应用前景。TMR电流传感器的低频噪声与失调电压会对监测精度造成严重影响。针对该问题，文章分析了TMR电流传感器低频电路磁电阻薄膜1/f噪声、电路热噪声以及电路不匹配造成的失调噪声，提出了2种噪声消除方法：硬件电路斩波技术抑制噪声和基于自动调零原理的数值式自校正方法。通过实验实测，提出的方法能够抑制零点漂移电压，为高精度TMR电流传感器在泛在电力物联网中的应用提供技术支撑。     

阵列式霍尔传感器去偏心误差优化算法设计

在实际应用中,因为导线偏心误差的存在,会使阵列式霍尔传感器的测量精度受到很大影响。为了解决这一问题,文中以由八个霍尔元件构成的圆形阵列式霍尔电流传感器为例,在分析了导线位置偏移对霍尔传感器测量精度的影响的基础上,对比前人提出的导线定位算法,提出并详细阐述了去偏心误差优化算法设计,通过检测导线位置的偏移引起的各霍尔元件输出电压的变化,对各个霍尔元件的输出电压增益进行自动反馈调整,在尽力简化算法运算复杂度的同时起到消除导线偏心误差的作用。仿真结果表明,通过对霍尔元件输出电压加权增益系数的反馈调整,可以很好地消除导线偏心误差的影响,使传感器的测量精度得到很大的提高。该算法适用于所有圆形阵列式的霍尔电流传感器,亦可推广至所有基于圆形阵列结构的电流测量传感器。     

电磁与左、右手定则

1．通电直导线（右手定则） 法国物理学家安培通过实验确定了通电导线周围磁场的形状。他把一根粗铜线垂直地穿过一块硬纸板的中部，又在硬纸板上均匀地撒上一层细铁粉。当用蓄电池给粗铜线通上电流时，用手轻轻地敲击纸板，纸板上的铁粉就围绕导线排列成一个个同心圆，如图1（a）所示。仔细观察就会发现，离导线穿过的点越近，铁粉排列得越密。这就表明，离导线越近的地方，磁场越强。如果取一个小磁针放在圆环上，小磁针的指向就停止在圆环的切线方向上。小磁针北极（N级）所指的方向就是磁力线的方向。改变导线中电流的方向，小磁针的方向也跟着倒转，说明磁场的方向完全取决于导线中电流的方向。电流的方向与磁力线的方向之间可用右手螺旋定则来判定，如图1（b）所示。把右手的大拇指伸直，四指围绕导线，当大姆指向电流方向时，其四指所指的方向就是环状磁力线的方向。     

基于隧道磁电阻的直流传感器设计

为解决直流大电流计量需求,设立了一种基于隧道磁电阻(tunnel magnetoresistance,TMR)直流传感器的大电流测量和干扰误差消除方法.首先推导了TMR传感器电流测量的开环传递函数,分析了其开环增益相关的参数变量特性;提出采用最小均方根(least mean squares,LMS)的数据处理方法,检测磁感应强度,以三台磁传感器为例,计算得出该工况下的磁场估算值;最后,通过算例仿真,验证了本文所提出方法的有效性.     

TMR传感器阵列测量电流的新型拓扑研究北大核心CSCD

通过传感器阵列和相应的算法减小乃至消除外部干扰电流产生的串扰误差是磁传感器电流测量技术研究中的一个重要问题。文中在对比了现有拓扑结构后,提出了一种双层环形传感器阵列拓扑结构,并对其测量误差进行了仿真计算与实验测量。仿真计算中对比了干扰电流的大小、相位、距离,以及被测导体偏离阵列中心等因素对测量误差的影响。利用8个高灵敏度的隧道磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)元件制作了电流传感器,并在单导体干扰和多导体干扰下进行了测试,实验结果表明其平均误差为1.79%,相对于单层四传感器的方法减小了约7%的误差。相比于其他拓扑结构,文中提出的结构抗干扰能力强,且无需复杂的算法,仅需基本的运算电路即可实现功能,具有较强的实用价值。     

电磁与左、右手定则

1.通电直导线(右手定则)法国物理学家安培通过实验确定了通电导线周围磁场的形状。他把一根粗铜线垂直地穿过一块硬纸板的中部,又在硬纸板上均匀地撒上一层细铁粉。当用蓄电池给粗铜线通上电流时,用手轻轻地敲击纸板,纸板上的铁粉就围绕导线排列成一个个同心圆,如图(1a)所示。仔细观察就会发现,离导线穿过的点越近,铁粉排列得越密。这就表明,离导线越近的地方,磁场越强。如果取一个小磁针放在圆环上,小磁针的指向就停止在圆环的切线方向上。小磁针北极(N级)所指的方向就是磁力线的方向。改变导线中电流的方向,小磁针的方向也跟着倒转,说明…     

直流配电网隧道磁电阻传感器外磁场干扰模型及其抑制方法研究

隧道磁电阻传感器作为新一代磁传感器,具有温度特性好、灵敏度高等优点,在电能计量中得到大量研究和应用。外磁场干扰是影响磁传感器测量准确度的重要因素,文中针对直流配电网电流测量场景,建立了隧道磁电阻元件传感器阵列的外磁场干扰模型,继而基于自适应滤波(LMS)分析的算法,提出了磁传感器最优结构参数,并通过数值分析和有限元仿真验证了该模型的有效性。研究结果表明,当被测电流在±50 ~±300 A之间、阵列半径与母排间距比例为1:2.5时,外磁场影响最小,通过自适应滤波算法可将磁传感器测量误差降到1%以下。     

Electronic circuit using magnetic tunnel junctions with normal and inverse magnetoresistive effects

CoFeB/MgO/CoFeB‐based magnetic tunnel junctions (CoFeB‐MTJs) with the tunneling magnetoresistance (TMR) ratio of 181% and Fe₄N/MgO/CoFe‐based MTJs (Fe₄N‐MTJs) with −66% TMR ratio were fabricated using a magnetron sputtering system. In this letter, we report the layout of an electronic circuit comprising both MTJs. Two independent external magnetic fields were applied to the MTJs, which worked as binary inputs as in present logic gates. The demonstrations reveal that the circuits behave like a three‐way switching device with NOR logic operation. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

基于隧道磁电阻效应的宽频带电流无线测量装置

宽频带电气量数据包含大量故障暂态信息,传统互感器带宽受限难以精确全面地测量宽频暂态信号。针对该问题,提出一种含精确时标的非侵入式电流测量方法并设计原理样机。通过隧道磁电阻(TMR)芯片测量线路电流感生磁场,根据被测导体与TMR传感器的相对位置计算变比并通过微处理器进行录波和读数。设计低噪声、可变增益的传感器模组电路和暂态录波无线测量传输模组电路,精确感知宽频信号;根据传感器实际安装位置推导传变关系式,实现对一次电流的精确计算。搭建测试平台对测量装置直流、交流及暂态信号传变能力开展测试,在10 kV配电网进行接地故障电流测量对比实验。分析了影响磁阻传感器测量精度的主要因素,结果表明其直流和工频信号测量误差小于1%,高频信号测量误差小于3%。     

基于LMS的环型TMR阵列传感器滤波算法设计

针对环型TMR传感器阵列测量电流时易受外界环境的干扰,提出一种磁阵列自适应测量方法。根据毕奥萨伐尔定律分析环型磁阵列的测量原理。提出了一种基于最小均方根(Least-Mean-Squares,LMS)方法,为磁阵列测得的磁场强度设计自适应滤波算法,即将某一段时间的传感器测量磁场作为输入,并过滤外界的杂散磁场信号,能够实现对外界磁场的自适应屏蔽。进行了数值仿真分析和搭建了实验平台,验证了所提方法的正确性及有效性。     

磁阀式电流互感器抗直流特性研究

磁阀式电流互感器(MVCT)气隙中的磁场传感器输出能够反映铁芯磁场强度与励磁电流的变化,因此在一定范围内能补偿畸变的二次电流,但已有研究缺乏理论分析与实验验证。在已有研究的基础上详细分析了MVCT的3种工作状态,推导了MVCT的等效磁化曲线与直流测量特性,使用温度特性好且灵敏度高的隧道磁阻(TMR)传感器进一步提高了补偿信号的补偿效果,并进行了直流电流、全波带直流偏磁、正弦半波电流与暂态电流的仿真与测量实验。仿真与实验结果表明,使用TMR传感器的MVCT同时具有测量直流电流、补偿电流互感器因直流偏磁电流而造成的稳态饱和与暂态饱和的能力。     

基于TMR传感器的非接触式高压直流电流测量方法

提出一种能够应用于高压直流架空线现场环境中的非接触式直流电流测量方法,该方法使用一个隧道磁电阻(TMR)传感器阵列获取架空线下方地面位置的磁场,并搭配部分已知的架空线几何尺寸,从而估测架空线的电流值。通过架空线空间磁场模型验证所提方法的可行性,并分析所提方法在未知变量误差或TMR传感器自身测量误差影响下的电流测量准确度。最后,通过搭建的等比例缩小的架空线模型验证了所提方法的可行性。     

高精度TMR加速度计中圆柱磁体空间磁场线性区间的计算与仿真

基于高灵敏隧道磁电阻的高精度加速度计中,圆柱磁体数学模型的确定和探寻磁体空间磁场分量线性分布区间是实现加速度高精度测量的关键。针对这个问题,采用磁体空间磁场分布的理论解析计算方法,对磁体空间磁场的分布进行了矢量分解,重点分析计算了磁体外空间磁场的线性分布范围。采用MATLAB软件,获得了磁场各分量在轴向和径向上的变化规律,找出了线性分布的最佳空间位置,并运用COMSOL软件进行验证。依据计算结果,总结出了磁体空间磁场分量的线性区间宽度、径向分量最大值、灵敏度这三者与磁体尺寸、磁化强度、空间位置之间的变化关系,为高精度隧道磁电阻加速度计的设计提供理论依据。     

An AC and DC current sensor of high accuracy

A current sensor that can detect AC and DC currents with high accuracy of the same degree is presented. The detection characteristics are not degraded even when the sensor is exposed to large temperature variations and/or to external magnetic fields. The proposed sensor, which is named for the sensing principle it employs, will be referred to as the magnetic field controlled type or the zero magnetic field type of field and has the ability to fulfil the following specifications: (1) the sensor is a noncontacting type; (2) the operating frequency range covers from DC to several hundred hertz; (3) the dynamic range can be extended from several milliamperes to 100 A; (4) a detection accuracy of 0.01% full scale (FS) is guaranteed over the sensor's whole range; and (5) several sets of current sensor having the same detection characteristics are easily obtainable even if the B-H of the core to be used for each sensor is very different     

基于钴基非晶带GMI效应的闭环磁场传感器设计

利用钴基非晶带作为敏感元件,研制出一种基于非晶带GMI效应的磁场传感器。分析了传感器的工作原理,设计了该传感器的信号处理以及负反馈电路。通过负反馈方法组成闭环系统,提高了传感器的测量范围、线性度等性能。对传感器性能进行了测试,实验结果表明:在-260~+260 A/m磁场范围内,传感器线性度为0.57%,灵敏度为3.23m V/A·m-1,满量程输出1.68V。本传感器可应用于地球磁场、环境磁场等微弱磁场检测领域。