计及外磁场影响的无铁芯TMR阵列电流测量方法研究

摘要

电流准确测量对电网安全运行具有重要意义。相较于有铁芯电流传感器，阵列式无铁芯电流传感器具有线性度好、动态范围大、体积小、质量轻等优点而受到广泛关注。但无铁芯失去了对外界磁场屏蔽作用，对传感器阵列的电流测量准确度造成较大影响。此外，导线的弯曲造成电流测量模型的误差，导致电流测量的准确性大大降低。因而，论文就阵列式电流传感器外磁场和导线弯曲开展研究。　　论文选取三轴隧道磁阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR）芯片为磁感应元件，建立了计及外界磁场的磁感应强度计算模型和弯曲导线磁感应强度计算模型，仿真分析了上述两种因素下的电流测量误差，并提出相应的改进算法，最后通过实验进行验证。论文主要成果如下：　　①论文分析了长直导线的三种电流测量方法（非定位算法、二维定位算法和三维定位算法）的性能，理论仿真了外磁场下相关参数对上述三种算法的电流测量误差影响，结果表明：外磁场对长直导线电流测量影响不可忽略，尤其是外载流导线的倾斜角度和距离影响明显。　　②提出一种计及外磁场的电流测量方法，并分析相关参数变化时改进方法电流测量误差的变化情况。仿真结果表明：所提方法能精确测量被测导线的电流值，在加入40dB噪声时的误差绝对值在2%以内。此外，此方法也可用于交流电流测量。相较于非定位算法和二维定位算法，其电流测量准确度有了大幅提高。　　③开展了改进方法的实验验证，设计了基于三轴TMR阵列式电流测量系统，包括三轴TMR元件选型、开口式PCB设计以及实验系统搭建，对非定位算法、三维导线定位算法和改进方法的进行了实验验证。实验表明：改进方法可大大降低测量误差，可低至3%以下。　　④建立了弯曲导线磁感应强度计算模型，分析了基于安培环路定理的电流计算值及其误差，探讨了各参数变化对误差的影响，提出了弯曲导线电流测量改进方法。仿真结果表明：未加噪声时可精确求得被测电流值，在60dB高斯白噪声下误差不超过1.5%，同时该方法可应用于交流电流测量。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景、目的和意义

1.2 电流测量技术简介

1.3 磁敏感元件的选择

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 论文的主要研究内容

2 长直导线的电流测量及改进方法

2.1 载流直导线产生的磁场

2.2.1 TMR元件磁场测量原理

2.2.2长直导线的电流测量方法

2.3.1 导线偏心问题

2.3.2 导线倾斜问题

2.4 本章小结

3 外磁场对电流测量影响分析

3.1 磁感应强度计算模型的建立

3.2 外部长直导线产生磁场对电流测量的影响

3.2.1 外部导线对测量误差的影响分析

3.2.2 被测导线位置变化对测量误差的影响分析

3.2.3 倾斜角度变化对测量误差的影响分析

3.3 环境中的均匀磁场对电流测量的影响

3.4 本章小结

4 外磁场下电流测量的改进方法及实验验证

4.1 外部长直导线下的电流测量改进方法

4.1.1 外部导线位置及电流值变化对改进方法的影响

4.1.2 被测导线位置变化对改进方法的影响

4.1.3 倾斜角度变化对改进方法的影响

4.1.4 交流电流测量

4.2 实验设计与验证

4.2.1 三轴TMR元件的选型与开口式PCB设计

4.2.2 实验系统设计

4.2.3 电流测量实验及误差分析

4.3 均匀磁场下的电流测量改进方法

4.4 本章小结

5 弯曲导线的电流测量方法

5.1 弯曲导线的磁感应强度计算模型的建立

5.2 弯曲导线的电流测量误差分析

5.3 弯曲导线电流测量方法

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参 考 文 献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢