高性能大量程電流傳感器件在儀器儀表、汽車電子與智能電網(wǎng)等領域應用廣泛。目前大量程電流傳感器的技術(shù)主要有磁通門式、光纖式、霍爾式、分流器式等幾類,磁通門式電流傳感器具有檢測精度較高、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)點,但體積較大、帶寬難以提高;光纖式電流傳感器雖然精度較高,但易受環(huán)境干擾,引起測量誤差;霍爾式電流傳感器,雖然測量范圍大,但由于其信噪比低,導致測量精度不足且溫漂嚴重;分流器具有測量精度高的特點,但由于其直接接入被測回路中,對被測回路影響大,接觸電阻和分流器本體電阻較大導致發(fā)熱量大,且器件與被測回路的直接接觸存在安全風險。上述幾類電流傳感器都難以滿足高穩(wěn)定大量程高精度的測量需求。本文提出的基于GMR技術(shù)的新型設計方案,利用軟磁分流技術(shù)配合多傳感器融合技術(shù),測量信號電流磁場,技術(shù)先進、可行性強,具有抗干擾性強、溫度穩(wěn)定性好、功耗低、量程寬等的優(yōu)勢。本文具體內(nèi)容與技術(shù)路線如下:研究GMR自旋傳感技術(shù),分析傳感芯片的線性度、靈敏度、線性檢測范圍以及磁場檢測極限;軟磁分流結(jié)構(gòu)的設計與仿真,通過Ansoft Maxwell軟件對軟磁分流結(jié)構(gòu)建模仿真,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得被測電流產(chǎn)生的磁場落入傳感器的線性... 

【文章來源】：杭州電子科技大學浙江省

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖1.1分流器

浙江省碩士學位論文2高，分流器本身的發(fā)熱越嚴重導致分流器阻值變大，分流器兩端的壓降會變大，導致測量電流值大于實際電流值，測量精度變差。例如RipkaPavel[22]等人在其文獻中詳細介紹了分流器在低頻率小電流測量中的應用。分流器的接入式測量同樣存在嚴重的安全隱患，所以分流器在大量程高頻率的電流測量中顯得捉襟見肘。圖1.1分流器1.2.1.2非接入式電流傳感器非接入式傳感器具有安全性能高，測量方便等優(yōu)點，通常分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)敏感單元可將非接入式的電流傳感器分為直流互感器、霍爾電流傳感器、光纖電流傳感器、磁通門電流傳感器與GMR電流傳感器等。下面對上述非接入式傳感器分別進行介紹。（1）開環(huán)電流傳感器開環(huán)式的電流傳感器，如圖1.2所示，一般是包括聚磁環(huán)，磁環(huán)開有一個氣隙，氣隙內(nèi)放置一個敏感元件，測試時將待測電流的導線放置在磁環(huán)內(nèi)，導線周圍產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)聚集并在氣隙處產(chǎn)生漏磁，氣隙磁場被敏感元件檢測并產(chǎn)生差分電壓，產(chǎn)生的差分電壓經(jīng)過處理電路進行放大得到待測電流與輸出電壓的線性關(guān)系，進而得到待測電流的大小[23-28]。開環(huán)電流傳感器具有低功耗，結(jié)構(gòu)簡單而且常用于大量程電流的測量具有較寬電流檢測范圍。圖1.2開環(huán)電流傳感器

浙江省碩士學位論文3（2）閉環(huán)電流傳感器閉環(huán)式電流傳感器，如圖1.3所示，一般為一個磁芯，磁芯上開設一個氣隙，氣隙內(nèi)設置有敏感元件，磁環(huán)上繞制有反饋線圈，測量時，將待測電流的導線放置在磁環(huán)內(nèi)，導線周圍產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)聚集并在氣隙處產(chǎn)生漏磁，氣隙磁場被敏感元件檢測并產(chǎn)生差分電壓，產(chǎn)生的差分電壓經(jīng)過處理電路進行放大，放大后的信號經(jīng)過驅(qū)動電路后提高其驅(qū)動能力，經(jīng)過驅(qū)動的反饋電流信號進入反饋線圈中產(chǎn)生反饋磁場抵消原磁環(huán)內(nèi)的磁場進而使得磁環(huán)內(nèi)達到近似為一種“零磁通”的狀態(tài)[29-34]。反饋線圈中接入一個采樣電阻，通過測得量該采樣電阻兩端的電壓大小進而獲得與原邊電流的電流值。閉環(huán)式電流傳感器具有良好的線性度、高帶寬但是功耗高，而且電路復雜，如ZhichaoLi[35]等人研制的閉環(huán)電流傳感器，一般難以用于大電流的測量中。圖1.3閉環(huán)電流傳感器（3）直流互感器直流互感器的結(jié)構(gòu)主要由鐵芯、原邊繞組、副邊繞組以及整流電路等基本元件組成，直流互感器具有結(jié)構(gòu)簡單熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點，通常應用于大電流的測量當中[36-37]。如圖1.4所示，原邊繞組繞制在一個鐵芯上，副邊繞組繞制在另一鐵芯上，由于互感器的一次電流能夠影響磁芯的飽和程度，現(xiàn)若在二次線圈施加交流電壓，此時在交流和一次電流的互相作用下，線圈繞組的阻抗發(fā)生變化進而二次電流也發(fā)生變化，而變化的二次電流能夠間接反映一次電流的大小，達到測量電流的目的。但是直流互感器同樣存在著很大的弊端，例如磁芯材料不同對應的磁滯影響也不同，一旦被測電流和激勵電流的值較小就會導致很大的測量誤差，不僅如此，直流互感器較易受外界磁場干擾，例如RipkaPavel[38]等人采用數(shù)字

【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種外磁場自抑制霍爾電流傳感器[J]. 王陽,劉強,鐘貽兵,丁俊鵬,趙旭.  電子技術(shù)與軟件工程. 2019(14)
[2]基于穩(wěn)健性設計理論的錳銅分流器優(yōu)化設計[J]. 袁瑞銘,呂言國,李文文,魯觀娜,周金濤.  電子測量與儀器學報. 2019(07)
[3]分流器自動標定調(diào)阻裝置的設計[J]. 常偉,王松亭,周朝,何方,袁峰,張軍.  電子世界. 2019(13)
[4]基于屏蔽結(jié)構(gòu)的自旋閥開環(huán)電流傳感器設計[J]. 宋小雨.  科技風. 2019(14)
[5]基于霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng)設計[J]. 張文娟,張飛鴿.  內(nèi)江科技. 2019(03)
[6]光纖電流傳感器溫度補償算法研究[J]. 王來龍,趙曉輝,肖浩,郝鵬.  光電技術(shù)應用. 2019(01)
[7]ITER PF高溫超導電流引線原型件分流器漏熱分析[J]. 韓全,陸坤,劉承連,周挺志,丁開忠,劉辰,宋云濤.  低溫與超導. 2019(01)
[8]一款基于磁通門芯片的開環(huán)電流傳感器[J]. 徐東海,朱勝平,王臻,李敏,任浩,倪大成.  電子設計工程. 2018(20)
[9]智能電表中繼電器分流器的改進設計[J]. 梁旭東,曹杰,張璐雅.  集成電路應用. 2018(10)
[10]鐵電與鐵磁材料的比較研究[J]. 賴萍.  電子世界. 2018(18)

博士論文
[1]自旋閥結(jié)構(gòu)及GMR傳感器研究[D]. 劉華瑞.清華大學 2006

碩士論文
[1]新型光纖電流傳感器及其應用[D]. 王來龍.河北大學 2019
[2]感應分流器誤差理論研究及補償模塊設計[D]. 余炳光.合肥工業(yè)大學 2019
[3]大動態(tài)范圍高精度全光纖電流傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 雷筆.東南大學 2018
[4]基于零磁裝置的磁通門傳感器的新型標定方法[D]. 李吉.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[5]巨磁效應高精度寬頻電流傳感技術(shù)研究[D]. 高航.重慶大學 2018
[6]基于CAN總線的GMR電流傳感器的設計[D]. 丁鑫.杭州電子科技大學 2018
[7]霍爾直流大電流傳感器設計與研究[D]. 李玲龍.華中科技大學 2017
[8]智能巨磁阻電流傳感器設計[D]. 李嘉鴻.杭州電子科技大學 2017
[9]開環(huán)霍爾直流電流傳感器及其校正方法設計[D]. 何曉蘭.中國科學院大學(工程管理與信息技術(shù)學院) 2015
[10]自旋閥材料和傳感器的特性及應用研究[D]. 劉建林.杭州電子科技大學 2015



本文編號：3609265