高动态直流电流的巨磁阻传感技术研究

摘要

伴随智能电网的日趋成熟，直流用电负载越来越多，电力系统需要测量范围更广的电流测量技术。为了更好地监测输配电线路状态，需要采集多个电力节点的信息，而目前由于输配电线路广、电流动态范围大，很多重要电力节点尚未实现电流监测。同时，电动汽车作为未来接入智能电网的重要负载，对其在快充和慢充模式下的直流电流实现精准测量，关系到电网和用户的切身利益。基于此，本文以巨磁阻材料为基础设计了一款能够实现高动态直流测量的新型电流传感器。　　首先，对比了不同直流电流传感器的原理和特点，对其优缺点进行分析，其中，着重介绍了巨磁阻（Giant Magnetoresistance，GMR）电流传感器的研究现状。通过建立巨磁阻静态实验平台分别对巨磁阻的灵敏度、磁滞、温度以及敏感轴特性进行了研究。测试显示巨磁阻芯片由于本身的磁敏感属性，存在磁滞、温漂以及位置敏感等问题。　　针对巨磁阻芯片灵敏度低、线性度差的缺点，提出一种用巨磁阻芯片作磁探头的开环电流传感器结构。开环GMR电流传感器由巨磁阻芯片、聚磁环和差分运算放大器组成，该设计可以有效提高传感器的灵敏度。在开环GMR电流传感器结构的基础上，还提出了一种闭环GMR电流传感器设计，该设计通过反馈电路产生补偿磁场，提高了GMR电流传感器的精度和动态测量范围。　　而后，通过有限元软件仿真研究GMR电流传感器的电磁关系，并验证闭环控制原理。同时，在实验室搭建GMR电流传感器测试平台，测试不同结构GMR电流传感器的静态特性。实验显示，所设计的开环 GMR电流传感器精度为2.5％，动态测量范围100mA~7.65A；闭环GMR电流传感器的精度可达0.77%，动态测量范围为10mA~25A。需要注意的是，在实际工业生产中随着反馈线圈匝数的增加，闭环GMR电流传感器能够测量的最大电流达430A以上。　　最后，提出了一种基于双曲正切函数的磁滞改进模型，实验证明该磁滞改进模型对于提高GMR电流传感器的精度有很大帮助，这为后来GMR电流传感器的集成开发提供了宝贵经验。同时，将GMR电流传感器用于瞬变电磁的电流检测，瞬变电磁中发射电流和接收电流的动态范围从几毫安到上百安不等。根据具体测试，GMR电流传感器能够准确地反映发射电流和接收电流的波形，具有高动态直流测量的能力。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 直流传感器研究现状

1.3 巨磁阻电流传感器研究现状

1.4 电流传感器性能对比

1.5 本文主要研究内容

2 巨磁阻芯片结构及静态特性

2.1 巨磁阻材料介绍

2.2 巨磁阻芯片的结构与工作原理

2.3 巨磁阻芯片静态特性测试

2.4 本章小结

3 巨磁阻电流传感器结构设计

3.1 巨磁阻电流传感器原理

3.2 开环巨磁阻电流传感器研究

3.3 闭环巨磁阻电流传感器研究

3.4 本章小结

4 巨磁阻电流传感器仿真与试验

4.1 巨磁阻电流传感器实验平台

4.2 巨磁阻电流传感器有限元仿真

4.3 巨磁阻电流传感器直流试验

4.4 巨磁阻电流传感器交流试验

4.5 本章小结

5 巨磁阻电流传感器的改进与应用

5.1 静态磁滞特性误差补偿

5.2 瞬变电磁中的高动态电流检测

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目