基于隧道磁电阻效应的电流传感技术研究.pdf

中文摘要 摘 要 随着智能电网和泛在电力物联网的部署与推进，电力系统对电流传感技术提 出了更高的要求。电力系统需要测量的电流类型非常多，使用现有单一电流传感 器难以全面满足电力系统电流测量的技术需求。隧道磁电阻（TMR ）电流传感器 具有高灵敏度、高响应频率、结构简单、价格便宜等众多优点，是电力系统电流 测量极具潜力的产品，本文针对隧道磁电阻电流传感器技术开展研究。 论文首先分析了TMR 传感器的电流测量方法，提出使用聚磁环结构与闭环反 馈结构相结合的TMR 电流传感器，建立传递函数分析了开环结构和闭环结构的特 性；调研比较了国内外具有代表性的磁传感器产品，搭建了 TMR 芯片测试平台， 对选定的TMR2503 芯片特性进行测试。 对TMR 电流传感器结构进行设计。单导线无聚磁环结构测量灵敏度低，且导 线偏心会带来很大误差，难以达到测量要求。引入聚磁环结构可以解决导线和TMR 芯片位置偏移带来的误差问题；分析了聚磁环磁导率与屏蔽效能的关系：聚磁环 结构对杂散磁场具有一定屏蔽作用，提高聚磁环的磁导率可以达到和使用屏蔽壳 相同的屏蔽效能；计算确定了聚磁环的气隙宽度为5mm 。 设计了TMR 电流传感器的信号处理电路。设计三运放电路与反相放大电路相 结合的两级放大电路将TMR 芯片的mV 级输出电压信号放大至V 量级；研究了 TMR 电流传感器的固有偏置抵消和温度补偿方法，减小外界因素对 TMR 电流传 感器的影响，提高其测量准确度。 测试了TMR 电流传感器的参数和性能。测试了TMR 电流传感器的静态特性 和交流特性；开展了 TMR 电流传感器与其他电流传感器的对比测试，TMR 电流 传感器能实现对电流的精确测量，满足电流精准测量的需求。 关键词：电流传感器；隧道磁电阻；电磁屏蔽；磁场 I 英文摘要 Abstract With the deployment and advancement of smart grid and ubiquitous power Internet of things, power system has put forward higher demands on current sensing technology. There are many types of currents that power system need to measure, and it is difficult to fully meet the technical requirements of power system current measurement using existing single current sensors. The tunnel magnetoresistance (TMR) current sensor has many advantages, such as high sensitivity, high response frequency, simple structure and low price. It is a potential product for power system current measurement. This thesis studies the tunnel magnetoresistance current sensor technology. Firstly, the thesis analyzes the current measurement method of TMR sensor, and proposes a c