一种TMR传感器灵敏度系数在线校准方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种TMR传感器灵敏度系数在线校准方法及系统，方法包括以下步骤：在TMR传感器正常测量一次线路电流的任一时刻，测量TMR芯片输出的差分电压信号；向PCB式旁路校准线圈注入特定波形电流信号，并同步测量TMR芯片输出的差分电压信号；由上述电压电流信号计算出TMR传感器的TMR芯片灵敏度系数；在一次线路电流周期的不同相位处多次测量，获得准确灵敏度系数矩阵，修正TMR传感器灵敏度系数，用于后续TMR电流传感器测量一次线路电流。本发明专利技术可实现TMR芯片灵敏度系数的在线校准，可对TMR芯片灵敏度系数自动修正，提升TMR电流传感器的测量准确度。的测量准确度。的测量准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种TMR传感器灵敏度系数在线校准方法及系统


[0001]本专利技术属于传感器
，特别涉及一种TMR传感器灵敏度系数在线校准方法及系统。

技术介绍

[0002][0003]传统电流互感器作为电流检测设备长期在网运行，易受环境影响导致测量精度下降，人工校准或检修需要线路停电，将导致台区供电中断，并且校验检查周期较长需要耗费大量的人力物力。目前也出现了一些非接触式电流传感器，利用磁敏感元件将一次侧电流产生的磁场转变成二次侧电流，这种基于磁敏感元件的传感器具有宽频带、高灵敏度、体积小、安装及维护方便等优势，逐渐应用于电网中架空线、电力电缆、GIS组合电器等多种领域。
[0004]隧道磁电阻(TMR)电流传感器作为磁敏传感器中的一种，其灵敏度易受外界环境如受温度变化、磁阻材料老化等因素影响，此系数的变化相当于互感器变比发生变化。随着时间的推移，TMR芯片内部微机电系统(MEMS)机构老化，灵敏度系数k
a
会偏离出厂值，给传感器的测量带来了误差。当前针对TMR电流传感器的校准方法主要是通过将TMR电流传感器内的TMR芯片拆卸至专用测试平台，通过亥姆霍兹线圈产生一定强度的磁感应强度，再对芯片进行校准。此类方法所需的亥姆霍兹线圈体积大、成本高，且需要人工操作进行校验，但人工校准检查不符合新型电力系统数字化、智能化的状态感知要求，同时提高了TMR电流传感器普及难度，因此急需一种准确可靠的TMR电流传感器自校准方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种TMR传感器灵敏度系数在线校准方法及系统，以解决TMR传感器内TMR芯片灵敏度系数变化影响传感器电流精确测量的技术问题。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种TMR芯片灵敏度系数在线校准方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：在TMR传感器正常测量一次线路电流I
p
的任一时刻T0，测量TMR芯片输出的差分电压信号U
o(T0)
；
[0009]步骤2：通过电流源向PCB式旁路校准线圈注入持续时间为t的预设波形电流信号I
s
(t)，并同步测量TMR芯片输出的差分电压信号U
o
(t)；
[0010]步骤3：由上述电压电流信号可计算出TMR芯片在当前一次线路电流I
p
的磁场强度下的灵敏度系数k
′
T0
(t)；
[0011]步骤4：在一次线路电流周期的多个不同相位处均进行多次测量，对每个相位处对应得到的多个灵敏度系数取均值作为该相位处的灵敏度系数；所有相位处的灵敏度系数构成灵敏度系数矩阵K，实现对灵敏度系数的在线校准。
[0012]进一步地，所述步骤2中PCB式旁路校准线圈印制在TMR芯片所在的PCB线路板上，
设TMR电流传感器待测一次线路的方向为y轴，TMR芯片基于流经待测一次线路电流产生的磁敏感方向为x轴，则所述PCB式旁路校准线圈：线圈经过TMR芯片的部分沿y轴方向在TMR芯片对侧PCB层穿过；线圈其余部分在TMR芯片同侧PCB层进行环绕；旁路校准线圈在PCB两层之间由过孔连接。
[0013]进一步地，设TMR传感器正常测量一次线路电流I
p
的周期为T，所述步骤2中向旁路校准线圈注入的电流信号持续时间t的取值范围为：至
[0014]进一步地，所述步骤3中TMR芯片在T0时刻磁场强度下的灵敏度系数k
′
T0
(t)为：
[0015][0016]其中，r
s
为TMR芯片至对侧PCB层旁路校准线圈线路的最短距离，Σ[I
s
(t)]为通过电流源向PCB式旁路校准线圈注入电流信号I
s
(t)时，在TMR芯片对侧的所有旁路校准线圈所产生的等效电流总和，U
o
为TMR芯片输出的差分电压信号，U
o
与一次线路电流I
p
、校准线圈电流I
s
有如下关系：
[0017][0018]其中E为传感器激励电压，k为TMR芯片未校准时的灵敏度系数，r
p
为TMR芯片到一次线路的距离。
[0019]进一步地，所述的TMR芯片灵敏度系数在线校准方法，等效电流总和Σ[I
s
(t)]的计算方法为：
[0020]Σ(I
s
(t))＝I
s
(t)
d1
+I
s
(t)
d2
+...+I
s
(t)
dn
[0021]其中，I
s
(t)
d1
,I
s
(t)
d2
,...,I
s
(t)
dn
表示：在TMR芯片对侧的旁路校准线圈导线中，距离中心导线距离为d1,d2,...,dn的导线，在TMR芯片的磁敏方向(即x轴)所产生的磁感应强度正交分量，折算至中心导线的电流值。距离中心导线为任意距离d的导线电流I
s
(t)
d
计算式为：
[0022][0023]等效电流总和Σ[I
s
(t)]的计算方法为：
[0024]Σ(I
s
(t))＝I
s
(t)
d1
+I
s
(t)
d2
+...+I
s
(t)
dn
[0025]其中，I
s
(t)
d1
,I
s
(t)
d2
,...,I
s
(t)
dn
表示：在TMR芯片对侧的旁路校准线圈导线中，距离中心导线距离为d1,d2,...,dn的导线，在TMR芯片的磁敏方向所产生的磁感应强度正交分量，折算至中心导线的电流值；距离中心导线为任意距离d的导线电流I
s
(t)
d
计算式为：
[0026][0027]一种TMR传感器灵敏度系数在线校准系统，包括：单片机、信号放大器、可控电流源和PCB式旁路校准线圈；所述PCB式旁路校准线圈印制在TMR芯片所在PCB上；
[0028]所述TMR芯片的信号输出端连接至信号放大器的输入端，信号放大器的输出端连接至单片机的信号采集端，单片机的信号输出端连接至可控电流源的控制端，可控电流源在单片机的控制下输出预设波形电流信号至旁路校准线圈并构成旁路自校准回路；
[0029]旁路校准线圈经过TMR芯片对侧的线路设置于PCB的底层，且其中回路电流产生的磁场在TMR芯片位置处的方向，与TMR芯片的磁敏感方向平行；旁路校准线圈中的其余线路中回路电流产生的磁场，在TMR芯片位置处的方向，与TMR芯片的磁敏感方向垂直；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TMR芯片灵敏度系数在线校准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在TMR传感器正常测量一次线路电流I
p
的任一相位时刻T0，测量TMR芯片输出的差分电压信号U
o(T0)
；步骤2：通过电流源向PCB式旁路校准线圈注入持续时间为t的预设波形电流信号I
s
(t)，并同步测量TMR芯片输出的差分电压信号U
o
(t)；步骤3：由上述电压电流信号可计算出TMR芯片在当前一次线路电流I
p
的磁场强度下的灵敏度系数k
′
T0
(t)；步骤4：在一次线路电流周期的多个不同相位处均进行多次测量，对每个相位处对应得到的多个灵敏度系数取均值作为该相位处的灵敏度系数；所有相位处的灵敏度系数构成灵敏度系数矩阵K，实现对灵敏度系数的在线校准。2.根据权利要求1所述的TMR芯片灵敏度系数在线校准方法，其特征在于，所述步骤2中PCB式旁路校准线圈印制在TMR芯片所在的PCB线路板上，设TMR电流传感器待测一次线路的方向为y轴，TMR芯片基于流经待测一次线路电流产生的磁敏感方向为x轴，则所述PCB式旁路校准线圈：线圈经过TMR芯片的部分沿y轴方向在TMR芯片对侧PCB层穿过；线圈其余部分在TMR芯片同侧PCB层进行环绕；旁路校准线圈在PCB两层之间由过孔连接。3.根据权利要求1所述的TMR芯片灵敏度系数在线校准方法，其特征在于，设TMR传感器正常测量一次线路电流I
p
的周期为T，所述步骤2中向旁路校准线圈注入的电流信号持续时间t的取值范围为：至4.根据权利要求1所述的TMR芯片灵敏度系数在线校准方法，其特征在于，所述步骤3中TMR芯片在T0时刻磁场强度下的灵敏度系数k
′
T0
(t)为：其中，r
s
为TMR芯片至对侧PCB层旁路校准线圈线路的最短距离；Σ[I
s
(t)]为通过电流源向PCB式旁路校准线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕岚溪，曾祥君，喻锟，谢李为，王克蔚，刘丰，王有鹏，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：