基于隧道磁阻传感器的电流测试电路设计

郭文超，陈昌鑫，冉召会，马铁华

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学 电气与控制工程学院，太原030051）

智能电网是一个高效、清洁、经济、智能的现代化电力网络[1]，先进的传感和测量技术是实现智能电网实时监测、系统调控、分析决策和故障预警的基础，是电网智能化的核心技术[2]。 电流作为电网中的最基本状态量，其测试技术对智能电网的发展至关重要[3]。

电流的检测技术根据测量方式的不同分为接触式、非接触式测量[4]。 接触式测量的工作原理是欧姆定律，主要采用分压器，根据电流流过分压器的电势差来计算被测电流的大小[5]。 非接触式测量的工作原理是通过测量被测电流感生的磁感应强度，来间接测量电流的大小[6]。 其采用的电流传感器主要有电流互感器、罗氏线圈、霍尔传感器、光纤电流传感器，以及磁阻传感器等。 罗氏线圈（Rogowski coil）由于自身原理缺陷不能准确测量直流、低频分量[7]；霍尔（Hall）电流传感器的本质是半导体材料，温度对其影响很大[8]；基于磁阻效应的巨磁阻GMR（giant magneto-resistive）电流传感器、隧道磁阻TMR（tunnel magnetic resistance）传感器在体积、灵敏度、功耗等方面具有很大的优势而得到广泛的应用[9]。 文献[10]设计了新型Z 轴TMR 电流传感器，完成了电流测量；文献[11]提出了基于磁传感器的三芯对称电力电缆相电流测量方法；文献[12]研究了基于TMR 传感器的大电流测量技术。 在此针对微电网电流测试问题，使用2 个反向安装的TMR 传感器测试以减小误差，设计了测试电路，并进行了试验验证。

1 测试原理

1.1 TMR 传感器测试原理

隧道磁阻传感器的工作原理是隧道磁阻在一定范围内磁场的作用下，其阻值会随着磁场的变化而产生相应的变化[13]，根据阻值的变化计算出磁场的大小，从而计算出被测电流的大小。

隧道磁阻传感器一般由4 个隧道磁阻构成惠斯通电桥，分为非屏蔽、屏蔽式两种方式，其结构如图1所示。 非屏蔽式灵敏度是屏蔽式灵敏度的2 倍[14]。

图1 TMR 传感器的惠斯通电桥结构Fig.1 Wheatstone bridge structure of TMR sensor

1.2 TMR 传感器阵列模型分析

实际测试中，单个隧道磁阻传感器比较容易受到外界磁场的干扰[15]，使用2 个传感器测试取平均值能够减小测试误差，并对恒定磁场具有一定的抗干扰作用。定义2 个隧道磁阻传感器分别为TMR-1 和TMR-2，这2 个传感器分别布置在载流导线的两边，且传感器的敏感方向相反。 传感器的位置如图2所示。

图2 隧道磁阻传感器位置示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of the tunnel magnetoresistance sensor location

当导线中通以电流，在导线两边产生大小相等、方向相反的磁场，此时2 个传感器的输出信号相同，即当电流发生变化时，2 个传感器的输出信号同时变大或者变小。

设测试环境中存在着恒定干扰磁场B3，只有导线电流磁场作用下，传感器TMR-1 和TMR-2 的输出信号u1，u2。 只有干扰磁场作用下，TMR-1 和TMR-2的输出电压分别为u3，u4，由于这2 个传感器的敏感方向相反，2 个输出信号极性相反。而测试导线磁场时存在干扰磁场，传感器输出可以表示为u5和u6，即

隧道磁阻的电流测试原理知道，每个传感器的输出与磁场正比。 将2 个传感器的输出信标定后电流信号，标定电流值又与输出信号成正比，设比例常数为k1，k2，标定后电流值为i1，i2，即

其中，在只有恒定磁场干扰下

而干扰磁场部分k1u3=-k2u4。 i1与i2相加取平均值得到导线电流值i，即

在求平均值过程中，消除了恒定磁场干扰部分的影响，同时平均值也将测试误差减半，从而减小了单个传感器的测试误差。

2 电流测试电路设计

隧道磁阻传感器内部是由4 个隧道磁阻构成的惠斯通全桥结构，其输出为差分信号，信号相对微小[16]，不能直接进行采集，需要设计调理电路进行放大。

设计隧道磁阻的调理电路时，先确定传感器的各项参数，然后依据传感器的差分输出信号计算放大倍数以及芯片选型，最后根据系统的供电范围，合理设计电源电路为传感器和调理电路进行供电。隧道磁阻测试电路包括电源电路、仪表放大电路和跟随电路等3 个部分，其电路框图如图3所示。 其中的跟随电路起着承上启下的作用，便于采集设备对调理后的信号进行采集。

图3 隧道磁阻传感器测试电路框图Fig.3 Block diagram of tunnel magnetoresistance sensor test circuit

2.1 隧道磁阻传感器测试电路参数的确定

隧道磁阻传感器TMR2501 测量磁场的线性范围为±20 mT，供电范围小于7 V。 在供电电压为1 V时，灵敏度为2～5 mV/mT。 灵敏度的测量方法是固定磁阻传感器，使用永磁铁提供磁场，在传感器敏感面位置放置高斯计探头测量磁场数值，并记录TMR2501 输出电压，利用磁场和传感器输出电压进行线性拟合，拟合的磁场与传感器输出成正比，比例系数即为磁阻传感器灵敏度，测量并拟合4 个传感器的灵敏度。 灵敏度见表1。

表1 1.25 V 供电下TMR 传感器参数Tab.1 Parameters of TMR sensor under 1.25 V power supply

由于隧道磁阻传感器是惠斯通电桥构成，在理想情况下，传感器输出为0 mV，受制作工艺、温度等因素影响其输出一般不为0 mV，这个不为零输出即为失调电压。 在未施加磁场前，传感器通电对失调电压进行了测量。 失调电压见表1。

2.2 Multisim 电路仿真

使用Multisim 对TMR 传感器的调理电路进行仿真设计，使用单臂电桥输出的变化替代TMR 传感器感应到磁场时输出变化。 把电桥的输出接入仪表放大器AD8422 的输入端，通过示波器观察信号，调理电路如图4所示。 改变桥式电路中R5的值，通过示波器观察其放大倍数，结果如图5所示。 示波器A 通道为通过AD8422 放大后的信号，B 通道为桥式电路的输出。

图4 调理电路仿真Fig.4 Simulation of conditioning circuit

图5 仿真结果Fig.5 Simulation result

由图5可见，放大电路的放大倍数为100 倍，这与理论计算G=1+（19.8 kΩ）/R1的结果是一致的。

2.3 调理电路设计

2.3.1 电源电路设计

电源电路设计中，需要供电的有隧道磁阻传感器（1.25 V）、调理电路为双电源±5 V，电源电路设计如图6所示。 降压芯片选用三端稳压集成芯片LM7805 降压到+5 V，LM7905 降压到-5 V，构成正负电源系统。 使用超低噪声基准电压源芯片ADR431，使用单电源5 V 供电，芯片输出2.5 V。 图6采用2 个30 kΩ 电阻分压，OP2340 跟随后2 路输出1.25 V 为2 个TMR2501 供电。

2.3.2 调理电路设计

使用2 路调理电路对2 个TMR 传感器信号进行放大，调理电路如图7所示。 图中，匹配AD8422输出存在正负电压信号，采用双电源供电的双路高速低噪声运放MC33078 对放大后的信号进行跟随；采集系统连接芯片MC33078 输出2 路信号SIG1 和SIG2，进行信号采集。

图6 电源电路Fig.6 Power supply circuit

图7 调理电路Fig.7 Conditioning circuit

3 试验验证

在微电网线路中，选择其中一条线路，把选择线路与其他线路分开，保持一定距离，尽量减少其他线路产生的磁场对被测线路的干扰。 通过调节阻性负载箱来产生工频电流，将钳形电流探头测得的值作为真值对TMR 测得的信号进行标定。 数据采集仪为8 通道并行采集仪，设置其采样频率为20 kHz。

在试验过程中，固定被测导线，将2 个TMR 传感器紧贴导线安装，并调整位置使传感器磁敏感面与导线中心轴平行。 传感器的安装如图8所示。

图8 2 个隧道磁阻传感器的放置位置Fig.8 Location of two tunnel magnetoresistive sensors

测试试验数据进行滤波处理后，分别与参考电流进行标定，并将处理完成的数据按照式（3）对其进行处理，得到误差更低的信号。测得的信号如图9所示。

图9 测得的原始信号Fig.9 Original signal measured

将测得的原始信号以10 kHz 作为截止频率进行滤波后，分别与作为真值的钳形电流探头的值进行标定，并将标定完成的信号按式（3）进行处理，得到误差更小的信号。 处理结果如图10所示。

图10 求取平均值与真值的对比Fig.10 Comparison of average value and true value

根据测试结果，计算测试误差，结果见表2。

4 结语

针对微电网电流测试问题，使用2 个反向安装的隧道磁阻传感器对待测电流进行测试。 通过对传感器测试电路参数的确定，使用Multisim 进行调理电路仿真，验证放大倍数的正确性；完成原理图的绘制；使用所述的隧道磁阻传感器对微电网中的三相可编程负载C 相导线进行了测试，对数据进行了分析与处理。 试验结果表明：绘制的电路可以完成电流测试工作，以钳形电流探头测得的值为真值进行误差分析，求取平均值相比单个传感器测试更具可靠性。