牟宏杰,許 濤,鐘貽兵,關業(yè)輝

(山東航天電子技術研究所,山東 煙臺 264003)

0 引 言

電流傳感器作為運載火箭、飛行器、船舶的供配電系統(tǒng)電性能監(jiān)測的重要器件,其高精度、小體積和抗干擾能力是重要的技術指標[1]。

當前霍爾傳感器是磁敏感電流傳感器應用的主流技術,具有制造簡單、可靠性好、測量精度優(yōu)的特點[2,3]。隨著供配電系統(tǒng)對監(jiān)測精度、體積和工作溫度范圍要求的日益提高,霍爾傳感器集磁環(huán)設計以及寬溫區(qū)、高動態(tài)應用環(huán)境下復雜溫補電路補償設計的方式,某些場合已無法滿足應用需求。

除了霍爾器件外,磁敏感器件還有各向異性磁阻(an-isotropic magnetoresistance,AMR)器件、巨磁電阻(giant magnetoresistance,GMR)器件和隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)器件[4～6]。較AMR器件和GMR器件,TMR器件在靈敏度、磁場測量范圍以及工作溫度范圍方面,具備明顯優(yōu)勢[7～9],基于TMR器件的電流傳感器必然能夠實現傳感器性能的顯著提升[10]。

其中,Donnal J S等人通過實驗驗證了TMR敏感器件應用于電流傳感器中可以獲得比霍爾器件大一個數量級的輸出信號[11]。江蘇多維科技有限公司提出了一種可以改變外磁場方向的聚磁結構,為TMR傳感器研制提供了新的設計思路[12]。上海工程技術大學的李東昇提出了一種基于TMR磁傳感器陣列測量大電流的方法[13],通過建立傳感器安裝拓撲結構以及數據擬合的方式實現測量精度提升,驗證了TMR器件應用于電流監(jiān)測的可行性。

本文提出了一種基于周向陣列排布的16-TMR傳感器電流測量方法。通過周向陣列的TMR排布方式,提高測量抗干擾能力,并引入加法平均電路對多路輸出做算術平均計算,消除單個TMR元件測量誤差的影響,實現測量精度的顯著提升。

1 TMR陣列數學建模與誤差分析

1.1 TMR陣列數學建模

對周向分布的TMR元件陣列進行數學建模,根據安培環(huán)路定律,被測電流與其周邊產生磁場的關系為

(1)

B·2πx=μ0i

(2)

(3)

式中μ0為真空磁導率,4π×10-7H/m；x為被測點距離載流導線軸心的距離,m；i為被測電流的大小,A。

載流導體產生磁場如圖1所示。

圖1 載流導體產生磁場示意

多個TMR元件分布在以載流導體為中心、半徑為r的圓上,元件感應面與圓周切線方向一致,如圖2所示,16個TMR元件形成了一個陣列式排布方案。第i個TMR元件在載流導體產生磁場作用下的磁感應強度為Bi,因TMR元件輸出電壓V∞B,可得

圖2 16-TMR周向陣列式分布示意

Vi=K·Bi

(4)

通過加法電路設計,傳感器最終輸出值為各TMR輸出之和,即

(5)

1.2 載流導體偏心誤差分析

TMR元件均勻分布在半徑為r的圓周上,載流導體的中心點D與TMR元件所在圓周的中心點O的距離為d,如圖3所示。M為圓周上一點,D與M之間的距離為L,設電流i在M處生成的磁感應強度為BL,Bt為BL沿著圓周切線方向的分量,則有

圖3 載流導體偏心示意

(6)

(7)

(8)

以d=2r/3為例進行計算,可得

(9)

16個TMR元件周向均勻分布,α依次為0,π/8,π/4,3π/8,…,7π/4,15π/8。

(10)

將式(5)與式(10)進行對比,在載流導體偏心d=2r/3時,16個TMR陣列計算誤差約為0.15 %。分別對4-TMR陣列與8-TMR陣列進行計算,4個TMR陣列計算誤差為24.6 %,8個TMR陣列計算誤差為4 %。傳感器輸出精度隨TMR元件數增多而迅速減小并趨于0,載流導體偏心產生的誤差與TMR元件個數的關系如圖4所示。

圖4 載流導體偏心產生誤差與TMR元件數量的關系

2 磁場仿真

使用Ansys-Maxwell仿真工具對周向TMR元件陣列進行磁場仿真,依據傳感器實際應用環(huán)境,TMR元件陣列所在圓周半徑為15 mm,載流導體加載直流電流100 A。分別對載流導體位于中心軸以及偏心10 mm條件進行磁場仿真。周向分布TMR元件僅對所在圓周切線方向上的磁場分量Bt敏感

(11)

Ansys-Maxwell具有場計算功能,通過設置SCL:Dot(〈Bx,By,0〉,LineTangent)完成式(11)的運算,得出切線方向上分量Bt。

2.1 8-TMR陣列

載流導體位于陣列分布圓的圓心,如圖5所示。各TMR元件均勻分布于圓周上,各點磁感應強度沿圓周切線方向,即各點的Bt相等。8-TMR陣列元件處切線磁感應強度值如表1所示。

圖5 8-TMR陣列周向均勻分布磁場仿真

表1 8-TMR陣列周向均勻分布元件處切線磁感應強度值

將載流導體放置在偏心10 mm處,如圖6所示。

圖6 8-TMR陣列載流導體偏心磁場仿真

8-TMR陣列偏心時元件處切線磁感應強度值,如表2所示。

表2 8-TMR陣列偏心時元件處切線磁感應強度

通過對比表1和表2,載流導體偏心2/3r時,切線磁感應強度之和略大于載流導體居中時,誤差約為4.1 %,與理論計算值接近。

2.2 16-TMR陣列

將TMR元件周向陣列由8個元件增加為16個元件,按照上述方法進行仿真分析。根據8-TMR陣列載流導體居中時的仿真結果,可計算出16-TMR陣列載流導體居中時切線磁感應強度之和為16×13.3=212.8 Gs。載流導體偏心10 mm磁場仿真如圖7所示。16-TMR陣列偏心時元件處切線磁感應強度值見表3。

圖7 16-TMR陣列載流導體偏心磁場仿真

表3 16-TMR陣列偏心時元件處切線磁感應強度

根據表3中載流導體偏心2/3r時切線磁感應強度總和,對比載流導體位于圓周軸心,誤差約為0.28 %。16-TMR陣列相比于8-TMR陣列,元件數量增加1倍,測試精度提升至14.6倍。

3 電路驗證

3.1 電路設計

TMR電流傳感器硬件電路采用加法電路設計,對周向陣列分布的16個TMR元件信號輸出進行求和計算,原理如圖8所示。運放正向端接2.5 V基準電壓作為參考,測試電流為0時,傳感器輸出為2.5 V。

圖8 加法電路原理

傳感器的輸出電壓Vout

(12)

其中,R1=R2=R3=…=R16

(13)

由式(13)可知,傳感器零點為2.5 V,通過調整Rf/R1的值,可將輸出靈敏度設置為20 mV/A,使傳感器測試額定電流±100 A時,輸出電壓為(2.5±2)V。

3.2 工程測試驗證

16-TMR陣列周向均勻分布,印制板布局如圖9所示,TMR元件敏感方向與圓周切線方向相同。TMR電流傳感器測試裝置如圖10所示,直流恒流源提供測試電流,安捷倫電源為傳感器供電,高精度萬用表測試傳感器輸出。

圖9 16-TMR周向陣列分布印制板

圖10 TMR電流傳感器測試裝置

將載流導體置于傳感器的穿孔圓心,分別對傳感器加載正向電流與反向電流,分度為10 A,最大加載電流為±100 A,測試數據如表4所示。TMR傳感器輸出穩(wěn)定,線性度小于0.1 %。在加載±100 A電流時對載流導體進行位置偏心調整,傳感器輸出變化不超過4 mV,即載流導體偏心所產生的誤差小于0.2 %。

表4 16-TMR電流傳感器測試輸出

4 結 論

本文針對TMR元件的工作特性,建立了多TMR周向陣列的數學模型,并分析了TMR元件數量以及載流導體偏心對測量精度的影響。提出了一種16-TMR周向陣列的電流傳感器測量方法,并通過計算分析、Ansys磁場仿真以及工程測試驗證的方式,驗證了該方法提升測量精度的有效性。這對于高動態(tài)、寬溫區(qū)工況下供配電系統(tǒng)用電流傳感器的設計具有很重要的實際意義。