电
力信息通信
基金项目：中国电力科学研究院有限公司长线攻关项目“电
力专用先进传感机理与关键技术研究”（AI83-20-007）。
中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-641X(2022)01-100-07 DOI ：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2022.01.013著录格式：王兰若，李荡，张树华，等．基于隧穿磁阻效应的随器量测电流传感器研究[J]．电力信息与通信技术，2022，20(1)：100-106． 基于隧穿磁阻效应的随器量测电流
传感器研究
王兰若，李荡，张树华，张鋆
（中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）
摘要：随器量测是能源互联网发展背景下低压电网新型感知量测业务的下沉。文章以隧穿磁阻材料为基
础，研究了应用于随器量测场景的电流传感器技术，开展了传感器整体架构、聚磁系统、信号处理电 路、低功耗供电单元和小型化结构的设计，并根据应用需求开展了环境适应性设计。试验结果表明，所研制的随器量测电流传感器在±25 A 测量范围内的输出线性度良好，最大误差不超过1%，传感器在 1 kHz 范围内幅频响应误差在1%以内。所研究的传感器具有高灵敏度、小型化、高集成度的优点，能够为配电侧新型感知业务提供量测基础，进而为能源互联网数字化建设提供技术支撑。关键词：智能感知；随器量测；隧穿磁阻；电流传感器；能源互联网
Abstract: In-device measurement with sensors is the industrial practice of a new type of sensing service for low voltage distribution network in energy Internet. This work researches the micro current sensor technology applied in in-device measurement based on the tunnelling magnetoresistance material. The overall structure, magnetic concentrating system, signal processing circuit, low-power supply unit and miniaturization structure are designed, and the environmental adaptability design is carried out. The experimental results show a good performance on linearity within measurement range of ±25 A, and the maximum error is less than 1%. The amplitude frequency response of the sensor within 1 kHz range is less than 0.1%. The sensor developed in this work has the advantages of high sensitivity, miniaturization and high integration. It can support the measuring demand for new sensing service in the distribution side, and provide a te
chnical support for the digital construction of energy internet.
Key words: intelligent perception; in-device measurement; tunneling magnetoresistance; current sensor; energy Internet
Research on Current Sensor for In-Device Measurement Based on
Tunnelling Magnetoresistance Effect
WANG Lanruo, LI Dang, ZHANG Shuhua, ZHANG Jun
(China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100192, China)
0 引言
低压侧电力物联网是构建能源互联网信息生态圈的关键节点，由于其直接面向电力用户，能够最直观反映电网服务的有效性，其各类能源设施与电
网设备的广泛互联与深度感知，能够提升终端电能效率、电网设备利用率和新能源接入水平。当前，能效监测、负荷控制、随器量测等新型量测业务的出现，使量测点呈现分布式、泛在化趋势，全面感知和深度量测将为智能量测的发展带来高速增长的 机遇[1-5]。
与此同时，针对电力系统电流量的监测技术也在不断发展。电流传感器是一类重要的电流监测器
电力信息通信
件或装置，通过对电力系统中各环节电流量的测量实现保护、控制和监测作用。常用的电流测量方法主要包括电流互感器、罗氏线圈、霍尔电流传感器、光纤电流传感器、磁阻电流传感器等。其中，电流互感器具有高低压隔离、输出稳定的优点，但其功能单一、暂态响应范围小、尺寸较大、对二次负荷要求较高；罗氏线圈具有结构简单、无磁滞效应、体积小等优点，由于其响应速度较快，常用于一些对数据实时性要求较高的场合，但存在一定的带宽限制；霍尔电流传感器具有结构简单、体积小、动态特性好的优点，但由于其半导体结构的限制，易受外界温度及磁场的影响，精度稳定性较低；光纤电流传感器基于磁光材料的法拉第磁光效应，具有良好的抗电磁干扰能力、灵敏度和准确度，但其对工艺水平要求较高、造价较为昂贵[6]。
磁阻电流传感器是一类基于磁阻效应的电流传感器，在磁场作用下，其核心敏感元件的电阻值能够发生变化。一般根据磁电阻感应单元的不同实现技术与构造形式，磁阻电流传感器分为各向异性磁阻（Anisotropic Magneto-Resistance ，AMR ）电流传感器、巨磁阻（Giant Magneto-Resistance ，GMR ）电流传感器和隧穿磁阻（Tunneling Magneto-Resistance ，TMR ）电流传感器。其中， TMR 电流传感器的核心元器件——隧穿磁阻元件为磁性多层薄膜结构，这种元件具有高灵敏度、宽频
响应、高可靠性的特点，相比于AMR 和GMR 磁性隧道结，由于其铁磁层中没有反铁磁耦合效应，因此，在室温下单个隧穿磁阻结的磁阻变化率约600%，远超于其他类型的磁电阻元件[7-9]
。相比于当前使用较多的霍尔电流传感
器，其动态范围、灵敏度与分辨率均有较为优异的表
现
[10-11]
，其较高的磁阻变化率与较宽的频带使其在
电流监测中具有广泛的应用前景。
目前，基于磁阻效应的电流传感器及其在电力系统中的应用已有一定研究，如文献[12]研究了基于巨磁阻效应的电流传感器，可应用于冲击电流测量、换流站暂态电流监测、海底电缆直流接地极散流特性研究等，带宽可达10 MHz ，电流幅值为 1 mA~1.6 kA ；文献[13]研究了可应用于配电房变压器10 kV 进线电缆的GMR 电流传感器，其量程为30 A ，灵敏度为0.11 V/A ，具备长期运行可靠性及稳定性；文献[14]对基于TMR 的电流传感器的主要技术路线进行了深入研究，提出用于非侵入式测量
及微型化结构的粘贴型电流测量方法，并指出了基于TMR 的粘贴型电流传感器的研究方向。但是，当前将TMR 电流传感器应用于配电侧微弱电流测量的研究尚不多见。
用户侧随器量测电流传感器应用于用电器件与用电回路之间，用于测量用电回路中的电流与电压，并进一步计算出该回路的有功功率等电参量数据，将数据上传至智能网关并本地存储备份，具有体积小、测量精准、可靠性高等特点，应用于配电侧微弱电流测量的电流量程为毫安至安级别，适宜采用TMR 技术手段进行研究。 本文基于低压侧随器量测应用场景的实际测量需求，开展基于TMR 电流传感器的相关技术研究，包括微型敏感结构设计、高精度低功耗电路设计、环境适应性设计等，最终面向随器量测应用开展测试技术研究。本文所研制的TMR 电流传感器能够为随器量测应用提供稳定、可靠的电流监测技术，通过充分采集能源信息，为能源计划、能源监控、重点能耗设备管理、能源计量设备管理等多种应用奠定 基础。 1 电流传感器设计
1.1 总体技术框架
基于隧穿磁阻效应的随器量测终端整体设计架构如图1所示，终端整体分为电流回路与电压回路。其
中，电流回路采用TMR 非接触式磁场测量方法，是本文主要研究内容；电压回路采取常规方法接入，或使用穿刺方式直接获取电压信号，经电压互感器隔离后进行信号测量。
㚊⻱⧟
a. ⭥⍱ 䐟
b. ⭥ 䐟
㓯
㣟⡷
V+
└⌒
䟷䳶
MCU
└⌒
⭥ ӂ V −V+
V
−
图1 随器量测终端整体设计架构
Fig.1 Overall designing framework of in-device
measuring terminal
电
力信息通信排油烟气防火止回阀
1.1.1 电流回路
如图1所示，电流回路的信号接入基于TMR 隧穿磁阻敏感元件。采用单个TMR 磁阻芯片作为测量器件时，存在位置随机、易受非待测磁场干扰的问题，使测量精度大大降低。因此，本研究采用由磁性材料制成的聚磁环聚集待测电流产生的磁通，磁阻芯片沿其敏感轴方向放置于聚磁环间隙中，聚磁环中心放置待测导线。
本文设计的TMR 电流传感器结构由TMR 磁阻芯片、聚磁环和运算放大器等电子元器件组成，磁场经聚磁环聚集，由敏感芯片感应后输出所测信号，经差分放大、滤波等信号调理电路后由高精度模数转换器转换为数字信号，再由主控单元处理、传输。1.1.2 电压回路
要实现用户侧随器量测功能，需准确感知电流和电压2种电气量信号，本文主要研究内容集中在电流传感方面，但为实现量测功能，本研究也引入了电压测量功能，在此作简要介绍。
采用毫安级电流型精密电压互感器测量交流电压信号，利用限流电阻将检测电压信号转换成2 mA 左右电流信号输入互感器，互感器副边按1:1等比输出2 mA 左右电流，在互感器输出端进行电压采样。
电压通道原理如图2所示，其中R 3是限流电阻，将需检测电压转换成互感器额定电流2 mA ，随后采用运算放大器进行采样；电阻R 4为采样电阻；电阻R 5和C 5构成相位补偿电路。为与电流采集同步，其后的信号调理电路与电流通道后续信号调理通道相同。
1.2 聚磁结构设计
图1中虚线框a 包含具有气隙的磁环结构，在测量长直导线所产生的磁场时，使用磁环前后，磁隙处磁感应强度分别为B 1和B 2： 01122=
π()
I
B D D P
（1）
0212=
π()/2r t I
B d D D d
P P P
（2）
式中：
D 1和D 2分别为聚磁环内直径与外直径；d 为聚磁环气隙的宽度；μ0、μr 、μt 分别为真空磁导率、真空相对磁导率、聚磁环相对磁导率。
由式（1）和式（2）可得，使用聚磁环前后气隙处磁场的放大倍数为：
B d D D d d
P B D D D D 21212112π()π()=
=2π()22r t A P | （3）由式（3）可得，为使磁环气隙地处的磁感应强度尽量大，应在合理范围内使聚磁环半径尽量大、气隙宽度d 尽量小。
由于本文设计的传感器用于随器量测，因此其整体尺寸不宜过大。由于TMR 需放置在聚磁环空气隙处，
因此预留宽度5 mm 作为气隙间距，随器量测中待测导线半径一般不超过10 mm ，因此，设计聚磁环内外径分别为10 mm 和15 mm ，高度为8 mm ，聚磁环设置为铁磁材料。
对开环TMR 电流传感器聚磁环进行有限元仿真，待测导线中通入500 mA 电流，导线半径6 mm 。
In+1
In −2
Out+4Out −
3
DL-PT202H1U2
1
2
J1
2P×5.08mm/ⴤ㝊
R 3
110 kΩ (1003) ±1%
L
N
85
23
4
6
7
1
U 3OP27R
4
1.2kΩ (1201) ±1%
VCC_5V
VEE_−5V
C 2
100μF (104
)
10% 50V
C 3
100μF (104) 10% 50V GND GND
GND
C 5
4 μF 7 (473)10% 50V R 5
200kΩ (2003) ±1%
ADC-Vin
图2 电压通道原理
Fig.2 Schematic of voltage circuit
电力信息通信
开环结构聚磁环中磁感应强度和流线分布如图3所示，可以看出，磁力线主要集中在聚磁环中，聚磁环可以有效聚集磁通。人体工程学椅子
a. ⻱
b.
⍱㓯
1.0875e-007
A [Wb/m]
2.1361e-007
3.1847e-007
4.2334e-007
5.2820e-007
衣物加香6.3306e-007
7.3793e-007
8.4279e-007
9.4765e-0071.0525e-0061.1574e-0061.2622e-0061.3671e-0061.4720e-0061.5768e-0062.8345e-007
B [tesla]
5.2696e-0051.0511e-0041.5752e-0042.0993e-0043.1476e-0043.6717e-0044.1958e-0044.7199e-0045.2440e-0045.7682e-004
6.2923e-0046.8164e-004
7.3405e-0047.8647e-004图3 开环结构聚磁环磁感应强度和流线分布
Fig.3 Magnetic induction and streamline distribution of
open-loop magnetic field concentrator
在Ansys 环境下从 0~2π范围内用参数扫描得到聚磁环半径为12.5 mm 圆周上的磁感应强度数据，如图4所示，整个圆周气隙正对面的聚磁环处磁感应强度最大，从这个位置向两边强度逐渐减小。通入500 mA 测量电流，在磁场探针处的磁感应强度约为24.65 μT 。
1.3 信号调理电路设计
磁敏感单元输出差分原始信号后，首先通过前置放大器对原始信号进行放大，达到采集单元ADC 能够分辨的量级。信号在放大后需要通过一个抗混叠滤波器（一般为低通滤波器），将信号变为带限 信号。
磁敏感芯片输出的差分信号首先经过RLC 射频抑制电路，该电路主要作用是抑制敏感单元和供电单元引入的射频干扰，考虑到射频抑制电路衰减存在衰减过渡带，因此射频抑制电路的转折频率设计在300 kHz 左右。
−0.006 06
−0.006 44
0.012 50
20
30
405060
70⻱ /μT
X 䖤 ḷ
0.012 50
≄䳉ѝ
≄䳉ѝ Ҿy 䖤 〠Ⲵ⻱⧟
≄䳉ѝ
汽油机助力自行车图4 聚磁环圆周中心磁感应强度
Fig.4 Magnetic induction of circumferential center of
magnetic field concentrator
综合考虑电流测量范围和频带需求，本研究选取江苏多维生产的大动态范围TMR 线性传感器芯片2104，其敏感单元电路原理如图5所示。
NA 1NA
2
GND
3
V −
4
V+
5
Vcc 6NA 7NA 8TMR2104U1
R 2
0Ω (0R0) ±1%
R 1
0Ω (0R0) ±1%
GND
C 1
100μF(104)10% 50V
VCC_TMR
GND Vin+Vin −
图5 TMR2104敏感单元电路原理
Fig.5 Circuit principle of sensitive unit of TMR2104
由于TMR 磁阻芯片内部以电桥形式连接，输出的差分电压信号为毫伏级，因此需采用差分放大器对信号进行放大，选用三运放集成芯片 PGA204作为仪器仪表运算放大器。1.4 数据处理单元设计
本设计采用TI 公司的MSP430F1611单片机作为传感器MCU ，其优点在于片上外围模块丰富、功耗低、开发高效便捷，该芯片具有10 kB RAM ，可方便应用于本系统中的大容量数据操作与FAT16文件系统操作。
本文所设计的主控核心电路除了单片机外，还包括复位电路、实时时钟电路、外部存储电路、晶振等。
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1.5 低功耗供电单元
为了满足各部分硬件电路对电源电压的需求，本系统硬件电源模块在设计方案中采用3种不同电源结构的类型，分别为AC/DC 隔离型开关电源电路、线性稳压电源电路、高精度基准电源电路。
由于系统电源模块种类众多且结构复杂，为方便后期对每个电源模块的调试，本系统将电源电路设计为前级电路和后级电路。前级电路采用隔离型AC/DC 芯片LS03-15B05SR2S ，电路将220 V 的
交流供电电压转化为5 V ，后级电路采用线性稳压（LDO ）电源模块 LM2937电路将5 V 转化为3.3 V ，在基准电源电路中高精度基准源 REF5025电路将 5 V 转化为 2.5 V 。
传感器的供电电源为交流220 V ，经过隔离型AC-DC 转换为满足系统所需要的直流5 V 电压。采用LS03-15BxxSR2S-F 系列电源模块，具有交直流两用、输入电压范围宽、可靠性高、低功耗、安全隔离等优点。随器量测AC-DC 转化电路如图6所示。
AC(N)1
AC(L)3+V(CAP)
5
−V(CAP)
7
−Vo 10
+Vo
12
U202
LS03-15B05SR2S
R201
12.10Ω/1%
R20212.10Ω/1%
C202
2.2μF/400V
C205100μF(104)10% 50V
AC_N1AC_L1
AC_GND1L201
4.7μH/6A GND 1
OUT(N)5IN(N)2OUT(L)
4
IN(L)
3U201FC-L 01DV1
FUSE
12
+C201
虹吸式屋面雨水排放系统10μF/450V 1
2
+C203
270μF/15V
1
钢筋塑料垫块
2
+C204
68μF/35 V D201
SMBJ6.0CA
VCC_5V
图6 随器量测AC-DC 转化电路
Fig.6 AC-DC conversion circuit of in-device measurement
1.6 环境适应性设计
为提升传感器的实用性，需开展针对随器量测场景下的环境适应性设计，一般需要满足无破坏涂覆、无腐蚀现象、无潮污等[15]。电流传感器在环境适应性设计上主要采取以下措施：
1）传感器内部焊点使用DBSF-6101三防保护剂涂覆，可保证电流传感器在潮湿、盐雾、霉菌试验环境中的防护能力；
2）电镀及表面处理方法采用导电阳极阳化法（Al/Ct.0cd ），使用A04-9氨基烘干磁漆提高外壳防盐雾、腐蚀及防霉的能力；
3）传感器外壳接缝处采用8863-0100-89导电硅橡胶密封，保证其防水、防污及防尘能力。
2 用户侧随器量测电流传感器性能测试
2.1 电流范围测试
为测量传感器可测电流范围，搭建如图7所示测量系统，标准电源产生的电流经限流电阻后连接到载流导线产生待测电流，载流导线置于传感器磁环中心。传感器输出信号经RS485传输线连接至上
位机，通过上位机软件控制并输出信号波形。
ḷ ⭥⍱Ⓚ
Ր
кս
RS485Ր䗃㓯
图7 电流传感器实验室测试示意
Fig.7 Schematic diagram of laboratory measurement of
current sensor
通过调节电流电源，产生0~25 A 之间不同幅值的电流。依据传感器样机测试数据，绘制传感器在不同电流值下的输出特性曲线，如图8所示。2.2 误差水平测试
为了对传感器性能进行初步评估，对0~25 A 输入电流下传感器的输出进行实测值与理论值的相对误差评估。所设计电流传感器在±25 A 量程内直流测试相对误差曲线如图9所示，由图中结果可见，1~25 A 测量范围内其相对误差不超过 0.85%。
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