郭文超，陳昌鑫，冉召會(huì)，馬鐵華

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原030051）

智能電網(wǎng)是一個(gè)高效、清潔、經(jīng)濟(jì)、智能的現(xiàn)代化電力網(wǎng)絡(luò)[1]，先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)調(diào)控、分析決策和故障預(yù)警的基礎(chǔ)，是電網(wǎng)智能化的核心技術(shù)[2]。 電流作為電網(wǎng)中的最基本狀態(tài)量，其測(cè)試技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展至關(guān)重要[3]。

電流的檢測(cè)技術(shù)根據(jù)測(cè)量方式的不同分為接觸式、非接觸式測(cè)量[4]。 接觸式測(cè)量的工作原理是歐姆定律，主要采用分壓器，根據(jù)電流流過(guò)分壓器的電勢(shì)差來(lái)計(jì)算被測(cè)電流的大小[5]。 非接觸式測(cè)量的工作原理是通過(guò)測(cè)量被測(cè)電流感生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，來(lái)間接測(cè)量電流的大小[6]。 其采用的電流傳感器主要有電流互感器、羅氏線(xiàn)圈、霍爾傳感器、光纖電流傳感器，以及磁阻傳感器等。 羅氏線(xiàn)圈（Rogowski coil）由于自身原理缺陷不能準(zhǔn)確測(cè)量直流、低頻分量[7]；霍爾（Hall）電流傳感器的本質(zhì)是半導(dǎo)體材料，溫度對(duì)其影響很大[8]；基于磁阻效應(yīng)的巨磁阻GMR（giant magneto-resistive）電流傳感器、隧道磁阻TMR（tunnel magnetic resistance）傳感器在體積、靈敏度、功耗等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛的應(yīng)用[9]。 文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了新型Z 軸TMR 電流傳感器，完成了電流測(cè)量；文獻(xiàn)[11]提出了基于磁傳感器的三芯對(duì)稱(chēng)電力電纜相電流測(cè)量方法；文獻(xiàn)[12]研究了基于TMR 傳感器的大電流測(cè)量技術(shù)。 在此針對(duì)微電網(wǎng)電流測(cè)試問(wèn)題，使用2 個(gè)反向安裝的TMR 傳感器測(cè)試以減小誤差，設(shè)計(jì)了測(cè)試電路，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 測(cè)試原理

1.1 TMR 傳感器測(cè)試原理

隧道磁阻傳感器的工作原理是隧道磁阻在一定范圍內(nèi)磁場(chǎng)的作用下，其阻值會(huì)隨著磁場(chǎng)的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化[13]，根據(jù)阻值的變化計(jì)算出磁場(chǎng)的大小，從而計(jì)算出被測(cè)電流的大小。

隧道磁阻傳感器一般由4 個(gè)隧道磁阻構(gòu)成惠斯通電橋，分為非屏蔽、屏蔽式兩種方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 非屏蔽式靈敏度是屏蔽式靈敏度的2 倍[14]。

圖1 TMR 傳感器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)Fig.1 Wheatstone bridge structure of TMR sensor

1.2 TMR 傳感器陣列模型分析

實(shí)際測(cè)試中，單個(gè)隧道磁阻傳感器比較容易受到外界磁場(chǎng)的干擾[15]，使用2 個(gè)傳感器測(cè)試取平均值能夠減小測(cè)試誤差，并對(duì)恒定磁場(chǎng)具有一定的抗干擾作用。定義2 個(gè)隧道磁阻傳感器分別為T(mén)MR-1 和TMR-2，這2 個(gè)傳感器分別布置在載流導(dǎo)線(xiàn)的兩邊，且傳感器的敏感方向相反。 傳感器的位置如圖2所示。

圖2 隧道磁阻傳感器位置示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of the tunnel magnetoresistance sensor location

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)中通以電流，在導(dǎo)線(xiàn)兩邊產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁場(chǎng)，此時(shí)2 個(gè)傳感器的輸出信號(hào)相同，即當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，2 個(gè)傳感器的輸出信號(hào)同時(shí)變大或者變小。

設(shè)測(cè)試環(huán)境中存在著恒定干擾磁場(chǎng)B3，只有導(dǎo)線(xiàn)電流磁場(chǎng)作用下，傳感器TMR-1 和TMR-2 的輸出信號(hào)u1，u2。 只有干擾磁場(chǎng)作用下，TMR-1 和TMR-2的輸出電壓分別為u3，u4，由于這2 個(gè)傳感器的敏感方向相反，2 個(gè)輸出信號(hào)極性相反。而測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)磁場(chǎng)時(shí)存在干擾磁場(chǎng)，傳感器輸出可以表示為u5和u6，即

隧道磁阻的電流測(cè)試原理知道，每個(gè)傳感器的輸出與磁場(chǎng)正比。 將2 個(gè)傳感器的輸出信標(biāo)定后電流信號(hào)，標(biāo)定電流值又與輸出信號(hào)成正比，設(shè)比例常數(shù)為k1，k2，標(biāo)定后電流值為i1，i2，即

其中，在只有恒定磁場(chǎng)干擾下

而干擾磁場(chǎng)部分k1u3=-k2u4。 i1與i2相加取平均值得到導(dǎo)線(xiàn)電流值i，即

在求平均值過(guò)程中，消除了恒定磁場(chǎng)干擾部分的影響，同時(shí)平均值也將測(cè)試誤差減半，從而減小了單個(gè)傳感器的測(cè)試誤差。

2 電流測(cè)試電路設(shè)計(jì)

隧道磁阻傳感器內(nèi)部是由4 個(gè)隧道磁阻構(gòu)成的惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，其輸出為差分信號(hào)，信號(hào)相對(duì)微小[16]，不能直接進(jìn)行采集，需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路進(jìn)行放大。

設(shè)計(jì)隧道磁阻的調(diào)理電路時(shí)，先確定傳感器的各項(xiàng)參數(shù)，然后依據(jù)傳感器的差分輸出信號(hào)計(jì)算放大倍數(shù)以及芯片選型，最后根據(jù)系統(tǒng)的供電范圍，合理設(shè)計(jì)電源電路為傳感器和調(diào)理電路進(jìn)行供電。隧道磁阻測(cè)試電路包括電源電路、儀表放大電路和跟隨電路等3 個(gè)部分，其電路框圖如圖3所示。 其中的跟隨電路起著承上啟下的作用，便于采集設(shè)備對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采集。

圖3 隧道磁阻傳感器測(cè)試電路框圖Fig.3 Block diagram of tunnel magnetoresistance sensor test circuit

2.1 隧道磁阻傳感器測(cè)試電路參數(shù)的確定

隧道磁阻傳感器TMR2501 測(cè)量磁場(chǎng)的線(xiàn)性范圍為±20 mT，供電范圍小于7 V。 在供電電壓為1 V時(shí)，靈敏度為2～5 mV/mT。 靈敏度的測(cè)量方法是固定磁阻傳感器，使用永磁鐵提供磁場(chǎng)，在傳感器敏感面位置放置高斯計(jì)探頭測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)值，并記錄TMR2501 輸出電壓，利用磁場(chǎng)和傳感器輸出電壓進(jìn)行線(xiàn)性擬合，擬合的磁場(chǎng)與傳感器輸出成正比，比例系數(shù)即為磁阻傳感器靈敏度，測(cè)量并擬合4 個(gè)傳感器的靈敏度。 靈敏度見(jiàn)表1。

表1 1.25 V 供電下TMR 傳感器參數(shù)Tab.1 Parameters of TMR sensor under 1.25 V power supply

由于隧道磁阻傳感器是惠斯通電橋構(gòu)成，在理想情況下，傳感器輸出為0 mV，受制作工藝、溫度等因素影響其輸出一般不為0 mV，這個(gè)不為零輸出即為失調(diào)電壓。 在未施加磁場(chǎng)前，傳感器通電對(duì)失調(diào)電壓進(jìn)行了測(cè)量。 失調(diào)電壓見(jiàn)表1。

2.2 Multisim 電路仿真

使用Multisim 對(duì)TMR 傳感器的調(diào)理電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，使用單臂電橋輸出的變化替代TMR 傳感器感應(yīng)到磁場(chǎng)時(shí)輸出變化。 把電橋的輸出接入儀表放大器AD8422 的輸入端，通過(guò)示波器觀察信號(hào)，調(diào)理電路如圖4所示。 改變橋式電路中R5的值，通過(guò)示波器觀察其放大倍數(shù)，結(jié)果如圖5所示。 示波器A 通道為通過(guò)AD8422 放大后的信號(hào)，B 通道為橋式電路的輸出。

圖4 調(diào)理電路仿真Fig.4 Simulation of conditioning circuit

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result

由圖5可見(jiàn)，放大電路的放大倍數(shù)為100 倍，這與理論計(jì)算G=1+（19.8 kΩ）/R1的結(jié)果是一致的。

2.3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.3.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)中，需要供電的有隧道磁阻傳感器（1.25 V）、調(diào)理電路為雙電源±5 V，電源電路設(shè)計(jì)如圖6所示。 降壓芯片選用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805 降壓到+5 V，LM7905 降壓到-5 V，構(gòu)成正負(fù)電源系統(tǒng)。 使用超低噪聲基準(zhǔn)電壓源芯片ADR431，使用單電源5 V 供電，芯片輸出2.5 V。 圖6采用2 個(gè)30 kΩ 電阻分壓，OP2340 跟隨后2 路輸出1.25 V 為2 個(gè)TMR2501 供電。

2.3.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

使用2 路調(diào)理電路對(duì)2 個(gè)TMR 傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，調(diào)理電路如圖7所示。 圖中，匹配AD8422輸出存在正負(fù)電壓信號(hào)，采用雙電源供電的雙路高速低噪聲運(yùn)放MC33078 對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行跟隨；采集系統(tǒng)連接芯片MC33078 輸出2 路信號(hào)SIG1 和SIG2，進(jìn)行信號(hào)采集。

圖6 電源電路Fig.6 Power supply circuit

圖7 調(diào)理電路Fig.7 Conditioning circuit

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在微電網(wǎng)線(xiàn)路中，選擇其中一條線(xiàn)路，把選擇線(xiàn)路與其他線(xiàn)路分開(kāi)，保持一定距離，盡量減少其他線(xiàn)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)被測(cè)線(xiàn)路的干擾。 通過(guò)調(diào)節(jié)阻性負(fù)載箱來(lái)產(chǎn)生工頻電流，將鉗形電流探頭測(cè)得的值作為真值對(duì)TMR 測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。 數(shù)據(jù)采集儀為8 通道并行采集儀，設(shè)置其采樣頻率為20 kHz。

在試驗(yàn)過(guò)程中，固定被測(cè)導(dǎo)線(xiàn)，將2 個(gè)TMR 傳感器緊貼導(dǎo)線(xiàn)安裝，并調(diào)整位置使傳感器磁敏感面與導(dǎo)線(xiàn)中心軸平行。 傳感器的安裝如圖8所示。

圖8 2 個(gè)隧道磁阻傳感器的放置位置Fig.8 Location of two tunnel magnetoresistive sensors

測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，分別與參考電流進(jìn)行標(biāo)定，并將處理完成的數(shù)據(jù)按照式（3）對(duì)其進(jìn)行處理，得到誤差更低的信號(hào)。測(cè)得的信號(hào)如圖9所示。

圖9 測(cè)得的原始信號(hào)Fig.9 Original signal measured

將測(cè)得的原始信號(hào)以10 kHz 作為截止頻率進(jìn)行濾波后，分別與作為真值的鉗形電流探頭的值進(jìn)行標(biāo)定，并將標(biāo)定完成的信號(hào)按式（3）進(jìn)行處理，得到誤差更小的信號(hào)。 處理結(jié)果如圖10所示。

圖10 求取平均值與真值的對(duì)比Fig.10 Comparison of average value and true value

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算測(cè)試誤差，結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)微電網(wǎng)電流測(cè)試問(wèn)題，使用2 個(gè)反向安裝的隧道磁阻傳感器對(duì)待測(cè)電流進(jìn)行測(cè)試。 通過(guò)對(duì)傳感器測(cè)試電路參數(shù)的確定，使用Multisim 進(jìn)行調(diào)理電路仿真，驗(yàn)證放大倍數(shù)的正確性；完成原理圖的繪制；使用所述的隧道磁阻傳感器對(duì)微電網(wǎng)中的三相可編程負(fù)載C 相導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與處理。 試驗(yàn)結(jié)果表明：繪制的電路可以完成電流測(cè)試工作，以鉗形電流探頭測(cè)得的值為真值進(jìn)行誤差分析，求取平均值相比單個(gè)傳感器測(cè)試更具可靠性。