一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流TMR传感器
本发明属于传感器，尤其涉及一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器。
背景技术：
1、传感器与通信、芯片、操作系统三者并列，被认为是制约目前信息技术、物联网技术、人工智能等发展的四大核心技术之一。传统的大电流传感器磁敏感元件通常采用霍尔元件，近年来，随着tmr（tunnel magneto resistance）性能的不断完善，现其已完全具备测量大电流的能力。tmr元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，选用tmr元件，可以获得更高精度、更好的线性度的大电流传感器。
2、大电流传感器测量装置，采用tmr元件作为磁场检测单位，通过检测原边电流产生的磁场大小来实现对原边电流的测量。tmr电流传感器可分为开环型和闭环型两种。开环型tmr电流传感器以磁芯作为导磁体，将tmr元件置于磁芯的气隙中，由于磁芯良好的导磁特性，磁芯部分的磁阻远远小于气隙的磁阻，在tmr芯片线性区间内，气隙中的磁感应强度与被测原边电流保持稳定的线性关系，测量两磁芯间气隙内的磁感应强度，结合气隙磁芯的传感系数即可获得被测原边电流的大小。由于磁芯存在磁滞和损耗，当被测原边电流在较大范围内变化时，气隙间的磁感应强度与被测原边电流之间的线性关系将发生变化，被测原边电流越小，这种偏差越明显，因此开环型tmr电流传感器往往精度不高，一般在10-2级左右；由于磁芯的聚磁能力，磁芯中的磁感应强度很大，tmr元件磁敏感线性区间较小，所以tmr开环电流传感器量程一般不大。
3、闭环型tmr电流传感器即零磁通tmr电流传感器，是在开环型tmr电流传感器的基础改进而来，首先在磁芯上均匀套上一个线圈绕组，其次tmr元件的功能不再是直接检测气隙间磁感应强度的大小，而是用来检测气隙间剩余磁通，tmr元件输出的tmr电势控制驱动一定大小的电流通过线圈绕组，使气隙中的tmr元件始终处于动态的零磁通环境中。当测量电流时，线圈绕组与被测原边电流具有良好的线性关系，比例系数为线圈绕组的绕线匝数与被测原边电流绕线匝数之比，通过检测线圈绕组中的电流大小即可求得被测原边电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠，抗干扰能力强，准确度可高达10-3级。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器。以闭环零磁通tmr电流传感器为基础，设计出一种用于核聚变领域的±60 ka大电流tmr传感器，此传感器在保证精度的同时，将信号处理控制部分与测量头分开，避免了控制电路被核聚变装置周围设备发出的强磁场干扰，该大电流tmr传感器使用以二极管钳位型三电平电路为核心的控制拓扑结构，其具有量程大、纹波小、线性度好、精度高、输出功率大等特点，因此该传感器常被用于核聚变领域交、直流电流和脉冲电流的测量。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器，包括测量头和信号处理单元，所述测量头包括4个u型外壳、4个l型聚磁磁芯、4个tmr元件、8个补偿线圈；信号处理单元包括电压驱动电路、运算放大电路、pi调节电路、载波生成电路、比较电路、光耦电路、二极管钳位型三电平电路、偏置调零电路；其中，
4、4个u型外壳依次连接构成矩形状，4个l型聚磁磁芯首尾相连固定于4个u型外壳内侧，且l型聚磁磁芯的l型拐角与u型外壳构成的矩形的直角相配合，每个tmr元件放置于每2个l型聚磁磁芯连接处的中心，每个l型聚磁磁芯穿过2个补偿线圈的中心；8个补偿线圈分为4组，每组的2个补偿线圈不在同一个l型聚磁磁芯上，记所述每组的2个补偿线圈所在的矩形边对应的聚磁磁芯构成一个测量臂，每个测量臂上的2个补偿线圈通过首尾相连组成1个二次绕组，每个二次绕组流入的电流由放置在该测量臂中间位置的tmr元件单独控制；
5、位于测量头的tmr元件在电压驱动电路的作用下感应到有磁场变化时，产生tmr电势vt，tmr电势vt经过运算放大电路到达pi调节电路，载波生成电路输出正负载波，经pi调节电路调节后的tmr电势vt信号与正负载波进行比较，产生一定占空比的pwm波，pwm波经过光耦电路到达二极管钳位型三电平电路进行信号的功率放大，功率放大后的信号通入1个测量臂上的2个串联补偿线圈，补偿线圈通入电流信号后，产生反向变化的磁场，从而使tmr元件始终保持在零磁通的工作状态；
6、采集与补偿线圈相连的采样电阻两端的电压信号，经过偏置调零电路调理后，乘以一定的增益即可得到一次侧被测电流。
7、进一步的，所述每个l型聚磁磁芯为铁磁材料片堆叠而成，所述8个补偿线圈的每个线圈绕组由2500匝漆包细铜丝线绕在空心环氧管上而成，所述tmr芯片元件为基于隧道磁电阻的芯片，所述u型外壳外侧设置散热器，用于补偿线圈的散热。
8、进一步的，所述电压驱动电路的核心为采用adi公司型号为adp7118的芯片，采用2.2µf电容作输入旁路电容。
9、进一步的，所述二极管钳位型三电平电路由4个mosfet及辅助器件构成，4个mosfet的栅极输入由比较电路产生的4路xpwm波分别控制。
10、进一步的，所述信号处理单元还包括偏置调零电路，所述偏置调零电路利用精密电压基准源lm4040aim3-5.0产生一个5v的恒压源，通过反向比例电路把基准源变为-5v，通过跟随电路把基准源变为+5v；改变偏置调零电路的输出电压以调节tmr传感器的零点漂移。
11、进一步的，所述信号处理单元还包括温度补偿电路，用于为线性供电电源消除温度变化引起的误差。
12、本发明所使用的核心磁敏感元件tmr工作原理：在磁隧道结中，tmr效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。磁隧道结的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层的夹心结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关，若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反向平行，情况则刚好相反，即在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小。在电流测量时，电流产生的外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，导致tmr效应的出现。
13、本发明的有益效果：
14、本发明使用以二极管钳位型三电平电路为核心的控制拓扑结构，通过tmr元件感应磁场变化，形成tmr电势，经过运算放大电路、pi调节电路、载波产生电路、比较电路、光耦电路、二极管钳位型三电平电路反馈最终形成二次侧的补偿电流，从而保证tmr元件始终处于零磁通状态。通过测试表明，该传感器的电流测量范围可以达到±60ka，准确度等级为0.5级，频率范围可以达到20khz，满足核聚变领域对tmr电流传感器高精度、大量程、线性度好、输出功率大等需求。
技术特征：
1.一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器，其特征在于，包括测量头和信号处理单元，所述测量头包括4个u型外壳、4个l型聚磁磁芯、4个tmr元件、8个补偿线圈；信号处理单元包括电压驱动电路、运算放大电路、pi调节电路、载波生成电路、比较电路、光耦电路、二极管钳位型三电平电路、偏置调零电路；其中，
2.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器，其特征在于，所述每个l型聚磁磁芯为铁磁材料片堆叠而成，所述8个补偿线圈的每个线圈绕组由2500匝漆包细铜丝线绕在空心环氧管上而成，所述tmr芯片元件为基于隧道磁电阻的芯片，所述u型外壳外侧设置散热器，用于补偿线圈的散热。
3.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器，其特征在于，所述电压驱动电路的核心为采用adi公司型号为adp7118的芯片，采用2.2µf电容作输入旁路电容。
4.根据权利要求1所述的所述的一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器，其特征在于，所述二极管钳位型三电平电路由4个mosfet及辅助器件构成，4个mosfet的栅极输入由比较电路产生的4路xpwm波分别控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器，其特征在于，所述信号处理单元还包括偏置调零电路，所述偏置调零电路利用精密电压基准源lm4040aim3-5.0产生一个5v的恒压源，通过反向比例电路把基准源变为-5v，通过跟随电路把基准源变为+5v；改变偏置调零电路的输出电压以调节tmr传感器的零点漂移。
6.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流tmr传感器，其特征在于，所述信号处理单元还包括温度补偿电路，用于为线性供电电源消除温度变化引起的误差。
技术总结
本发明公开了一种基于隧道磁电阻效应的双向大电流TMR传感器，包括测量头和信号处理单元。所述测量头包括4个U型外壳、8个补偿线圈、4个L型聚磁磁芯、4个TMR元件；所述信号处理单元采用以二极管钳位型三电平电路为核心的控制拓扑结构，通过TMR元件感应磁场变化，形成TMR电势V<subgt;T</subgt;，电势经过运算放大电路、PI调节电路、载波产生电路、比较电路、光耦电路、二极管钳位型三电平电路最终形成补偿线圈的反馈电流，从而使TMR元件始终处于零磁通状态。本发明的TMR电流传感器控制电路结构简单，输出信号纹波小，且具有很高的测量精度、线性度和较大的测量范围，通过仿真及实验验证表明，本发明各项指标均已达到核聚变领域的要求，具有广泛的实用性。
技术研发人员：武旭,李亚,王林森,蒋力
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23