一种提高磁电阻电流传感器精度的方法及装置与流程

1.本发明涉及输电监测相关技术领域，尤其涉及一种提高磁电阻电流传感器精度的方法及装置。


背景技术：

2.随着各种新技术的兴起，物联网、大数据等技术与工业的结合，工业领域的大数据环境正在逐渐形成，数据从生产、制造过程中的副产品转变为备受企业关注的战略资源。电力行业作为国家基础性能源设施以及电能生产、传输的特殊性，决定了电力行业对大数据的需求将大大超越其他基础能源行业。电力行业中的数据种类复杂，如节点电压、电流、功率因数、设备的温度等，这些数据对电网的运行与合理规划十分关键。而作为采集、转换、处理电力数据信息的重要器件—传感器，已经成为电力领域中不可缺少的重要技术工具。传感技术作为现代科技的前沿技术，与计算机技术、通信技术被认为是现代信息技术的三大技术支柱，也成为21世纪人类争夺高科技技术的制高点。然而，相对于另外两大技术，传感技术的发展却比较滞后，造成了“大脑发达，五官不灵”的局面；同时各行业对传感器技术和产品的需求不断提升，高效、稳定、适应性强的新型传感技术成为产业发展的迫切需要。


技术实现要素：

3.基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳的一种基于隧道磁电阻(tunnel magnetoresistance,tmr，下称tmr电流传感器)的直流传感器装置，旨在提升直流传感器在测量电流时的准确度和精确性。
4.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种提高磁电阻电流传感器精度的方法，包括步骤：
5.对待测电流产生的磁场强度，采用基于最小均方根值的自适应滤波算法进行滤波，以得到滤波后的磁感应强度；
6.利用所述得到滤波后的磁感应强度来计算待测电流值。
7.进一步的，该自适应滤波算法的公式如下：
[0008][0009]
其中，b-(t)为滤波后的磁感应强度，w1(t)，w2(t)
……
wm(t)为在t时刻的权值，m是滤波器抽头个数，μ为学习率，为常数，b
tar
(t)是待测电流产生的磁感应强度的真实值，bk(t)是磁传感器输出值，e(t)为误差值。
[0010]
进一步的，所述利用公式中得到的滤波后的磁感应强度b-(t)来计算待测电流值i，包括利用下式进行计算：
[0011]
u＝k2b
[0012]
u＝ci/d
[0013]
其中，u为传感器的输出电压，k1、k2为可测常数，b的取值为b-(t)，c＝k1k2为可测常数，d为传感器到母排的垂直距离。
[0014]
进一步的，所述自适应滤波算法的公式中，bk(t)的元素来自空间中的不同点。
[0015]
进一步的，所述自适应滤波算法的公式中，bk(t)的元素来自时间上均匀分布的m个值的集合。
[0016]
根据本发明的另一个方面，提供了一种提高磁电阻电流传感器精度的装置，包括自适应滤波模块和电流值计算模块；其中，
[0017]
所述自适应滤波模块，对待测电流产生的磁场强度，采用基于最小均方根值的自适应滤波算法进行滤波，以得到滤波后的磁感应强度；
[0018]
所述电流值计算模块，利用所述得到滤波后的磁感应强度来计算待测电流值。
[0019]
进一步的，该自适应滤波算法的公式如下：
[0020][0021]
其中，b-(t)为滤波后的磁感应强度，w1(t)，w2(t)
……
wm(t)为在t时刻的权值，m是滤波器抽头个数，μ为学习率，为常数，b
tar
(t)是待测电流产生的磁感应强度的真实值，bk(t)是磁传感器输出值，e(t)为误差值。
[0022]
进一步的，所述利用公式中得到的滤波后的磁感应强度b-(t)来计算待测电流值i，包括利用下式进行计算：
[0023]
u＝k2b
[0024]
u＝ci/d
[0025]
其中，u为传感器的输出电压，k1、k2为可测常数，b的取值为b-(t)，c＝k1k2为可测常数，d为传感器到母排的垂直距离。
[0026]
进一步的，所述自适应滤波算法的公式中，bk(t)的元素来自空间中的不同点。
[0027]
进一步的，所述自适应滤波算法的公式中，bk(t)的元素来自时间上均匀分布的m个值的集合。
[0028]
综上所述，本发明提供了一种提高磁电阻电流传感器精度的方法及装置，通过在磁电阻电流传感器中设置自适应滤波环节，降低了磁场干扰对于电流传感器的精度的影响，科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳，大大提升了直流传感器在测量电流时的准确度和精确性。
附图说明
[0029]
图1是本发明tmr电流传感器开环结构示意图；
[0030]
图2是本发明tmr电流传感器开环结传递函数；
[0031]
图3是本发明基于lms算法的磁场估算流程图；
[0032]
图4是本发明基于lms算法的磁阵列模型；
[0033]
图5是本发明提高磁电阻电流传感器精度的方法的流程图；
[0034]
图6是本发明提高磁电阻电流传感器精度的装置的整体框架图；
[0035]
图7是本发明tmr数字电流传感器电路结构框图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0037]
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。图1是tmr电流传感器开环结构示意图。tmr电流传感器结构配合高导磁率的开口聚磁环使用，载流导线穿过聚磁环内部，在聚磁环上开有一截面为矩形的气隙，将tmr芯片放置于气隙内，气隙尺寸视tmr芯片大小而定。导线内部流过的电流为i
p
，由于聚磁环使用高导磁率材料，其导磁率远远大于空气的导磁率，因此聚磁环将导体电流产生的大部分磁场都聚集在聚磁环内部，气隙中的tmr芯片将磁场强度转化为输出电压信号，同时经过信号放大电路将输出电压放大至合适量级，便于后续测量。在聚磁环材料的磁滞回线的线性区内，聚磁环气隙内的磁感应强度b
p
与待测电流i成正比，而tmr芯片的输出电压正比于磁感应强度b
p
，因此tmr电流传感器的输出电压和待测电流i
p
是成线性关系的。
[0038]
图2示出了tmr电流传感器开环结传递函数。为进一步分析开环结构的特性，建立数学模型，图中电压v
out
为系统的输出，初级电流i
p
为系统的输入。b
p
表示初级电流i
p
在聚磁环中产生的磁感应强度，系数k用来定义i
p
和b
p
的关系：k＝b
p
/i
p
。根据安培环路定理，还可以将k表示为：
[0039]
k＝μ0/d
[0040]
上式中，d是聚磁环的气隙宽度，μ0是真空磁导率。tmr芯片放置在聚磁环的气隙中，其输出电压与气隙中磁感应强度成正比，即：
[0041]vs
＝k
sbp
[0042]
上式中，ks为tmr芯片在开环结构中的灵敏度。因此，整个开环系统的传递函数为：
[0043][0044]
上式中，ga为运算放大器的传递函数。
[0045]
运算放大器可以视为一阶系统来表示它的开环特性：
[0046][0047]
式中，ka为运算放大器的静态增益，τa为开环系统中运算放大器的时间常数。
[0048]
因此，可以得到开环tmr电流传感器的一阶传递函数：
[0049]
[0050]
通过上述分析可以得出，开环tmr电流传感器的增益与tmr芯片的灵敏度、运算放大器电路的增益、聚磁环的气隙宽度有关。
[0051]
图3为基于lms算法的磁场估算流程图。令b(t)＝[b1(t),b2(t),...,bm(t)]，w(t)＝[w1(t),w2(t),...,wm(t)]，其中，输入向量可以两种方式出现：(1)b(t)中的m个元素来自空间中不同点，即m个磁传感器在某一时刻的输出；(2)b(t)中的m个元素来自时间上均匀分布的m个值的集合，即同一磁传感器在某一段时间内的输出。
[0052]
图4是基于lms算法的磁阵列模型。由于空间有限，且考虑到功耗问题，本文采用三个磁传感器，均匀分布在待测导体周围，如图4所示，取磁传感器在一段时间内的输出作为滤波系统的输入。理论上，基于毕奥-萨法尔定律，磁传感器si(i＝1，2，3)检测到的磁感应强度为：
[0053][0054]
其中，
[0055][0056]
流经导体1的电流i1(t)是目标电流，导体2中的电流为i2(t)干扰电流。d是导体1到导体2的距离。和br是平行于tmr传感器敏感方向的分量，br是沿着目标载流导体的径向方向的分量，b1是传感器s1所检测到的电流。将磁传感器在一段时间的输出作为输入，得到以下方程：
[0057][0058]
其中，b1(t)，b2(t)，b3(t)是三个磁传感器在时刻t测得的磁感应强度，(t)是三个磁传感器在时刻t测得的磁感应强度，为滤波后的值。基于上式得到的最后估算结果为：
[0059][0060]
基于以上原理，根据本发明的一个实施例，提供了一种提高磁电阻电流传感器精度的方法，该方法的实施流程图如图5所示，包括如下步骤：
[0061]
对待测电流产生的磁场强度，采用基于最小均方根值的自适应滤波算法进行滤波，以得到滤波后的磁感应强度，该自适应滤波算法的公式如下：
[0062][0063]
其中，b-(t)为滤波后的磁感应强度，w1(t)，w2(t)
……
wm(t)为在t时刻的权值，m是滤波器抽头个数，μ为学习率，为常数，b
tar
(t)是待测电流产生的磁感应强度的真实值，bk(t)是磁传感器输出值，e(t)为误差值。
[0064]
所述利用公式中得到的滤波后的磁感应强度b-(t)来计算待测电流值i，包括利用下式进行计算：
[0065]
u＝k2b
[0066]
u＝ci/d
[0067]
其中，u为传感器的输出电压，k1、k2为可测常数，b的取值为b-(t)，c＝k1k2为可测常数，d为传感器到母排的垂直距离。
[0068]
根据本发明的另一个实施例，提供了一种提高磁电阻电流传感器精度的装置，该装置的整体框架图如图6所示，包括自适应滤波模块和电流值计算模块；其中，
[0069]
所述自适应滤波模块，对待测电流产生的磁场强度，采用基于最小均方根值的自适应滤波算法进行滤波，以得到滤波后的磁感应强度，该自适应滤波算法的公式如下：
[0070][0071]
其中，b-(t)为滤波后的磁感应强度，w1(t)，w2(t)
……
wm(t)为在t时刻的权值，m是滤波器抽头个数，μ为学习率，为常数，b
tar
(t)是待测电流产生的磁感应强度的真实值，bk(t)是磁传感器输出值，e(t)为误差值。
[0072]
所述电流值计算模块，利用所述得到滤波后的磁感应强度来计算待测电流值，包括利用下式进行计算：
[0073]
u＝k2b
[0074]
u＝ci/d
[0075]
其中，u为传感器的输出电压，k1、k2为可测常数，b的取值为b-(t)，c＝k1k2为可测常数，d为传感器到母排的垂直距离。
[0076]
图7示出了一种tmr数字电流传感器电路结构框图，由tmr电桥芯片、tmr正电压驱动模块a、tmr负电压驱动模块b、差分放大器c、模数转换器d、数字信号处理器dsp e共同组成。tmr正电压驱动模块a和tmr负电压驱动模块b提供tmr电桥的驱动，tmr电桥检测到的差分信号由差分放大器c做阻抗匹配和信号放大后送到模数转换器d转换成数字信号，经数字信号处理器dsp e处理后通过接口输出数字式电流信号。abcde模块采用cmos工艺设计，集成在一个基片上，生产成一个裸片(die1)；tmr采用特殊工艺，生产成另外一个裸片(die2)；
最终封装在一个芯片内组成tmr电流传感器的芯片部分。最终的电流传感器将还需要外部加入引导电流流过的导线部分。tmr电流传感器的芯片可以粘贴在电流导线上，或者采用机械安装结构来固定两者的位置。
[0077]
综上所述，本发明涉及一种提高磁电阻电流传感器精度的方法及装置，通过在磁电阻电流传感器中设置自适应滤波环节，降低了磁场干扰对于电流传感器的精度的影响，科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳，大大提升了直流传感器在测量电流时的准确度和精确性。
[0078]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。