技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力技术领域，更具体地，涉及一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量装置及方法。
背景技术
[0002] 电流是能耗监测的
基础测量对象。目前，电流
传感器基于以下几种物理学原理进行电流测量。首先是基于欧姆定律的分流器(shunt)，其两端
输出电压和被测电流成正比，具有成本低、应用方便的优点，能满足一般要求的电流测量应用，目前仍被广泛使用。但是，分流器
串联在
电路中，导致其局限性也很明显：测量大电流时的损耗大、没有电气绝缘。因此在需要电气绝缘的环境中使用时，需要额外配置电气绝缘措施，比如隔离
放大器等，导致成本升高、带宽降低。其次是基于安培环路定律的电流传感器，通过测量
磁场来间接测量电流的大小和方向，具有原、副边的电气绝缘。工业领域应用的电流传感器，通常基于以下5种测量技术：霍
耳(HALL)电流传感器；磁通
门(fluxgate)电流传感器；磁
电阻(magnetoresistive，MR)电流传感器，包括
各向异性磁阻(AMR)，巨磁阻(GMR)，隧道磁阻(TMR)；罗氏线圈(Rogowski coil)以及电流互感器(current transformer)。还有其他间接测量技术的电流传感器。主要是利用磁场和其他物理学原理或效应的结合，实现电流的间接测量。包括法拉第效应磁光效应(magneto-optic)，
核磁共振NMR(nuclear mag-neticresonance)，
磁致伸缩效应(magnetostrictioneffect)，量子霍耳效应(quantumHall effect)，超导量子干涉装置SQUID等。这些技术及其产品针对不同的细分市场，分别有不同的特点。例如基于NMR、量子霍耳效应和SQUID的电流传感器，对应用环境要求高，价格高，少量应用于实验室仪器设备中，到目前为止，部分技术还不成熟，处于开发或完善阶段；基于法拉第磁光效应的电流传感器，测量交流大电流(比如100kA)有较好的性能，但是测量直流时，性能问题亟待解决。
[0003] 随器量测将状态
感知延伸到客户内部用能设备，通过随器设备的广泛接入，可以采集丰富的
能源生产、消费、降级运行数据，打造状态全面感知、信息高效处理、智慧用能的泛在电力
物联网。但目前的电流测量方法多基于互感器形式，体积普遍较大，无法满足随器测量的体积小、可广泛部署、低成本等要求。
发明内容
[0004] 为了解决背景技术存在的现有电流测量方法测量体积较大，无法满足随器测量要求的问题，本发明提供了一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量装置及方法；所述装置及方法无需互感器测量电流；通过隧道磁阻芯片监测通电
导线附近磁场特性，并计算其中电流大小；所述一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量装置包括：
[0005] V形槽部件以及U形槽部件；所述U形槽部件包括直线位移传感器以及隧道磁阻芯片；
[0006] 所述U形槽部件的槽截面为沿中
心轴左右对称的；所述V形槽部件的槽截面为沿中心轴左右对称的；
[0007] 所述U形槽部件的槽与所述V形槽部件的槽的相对放置；所述U形槽部件的槽截面的对称轴与所述V形槽部件的槽截面的对称轴重合；
[0008] 所述直线位移传感器设置在所述U形槽槽截面与对称轴的相交的
位置，且所述直线位移传感器的位移方向与所述对称轴重合；
[0009] 所述隧道磁阻芯片设置于所述直线位移传感器的顶部，并垂直于所述对称轴；
[0010] 测量时，将待测通电导线置于相对放置的V形槽部件以及U形槽部件之间，通过直线位移传感器以及V形槽紧固固定；所述通电导线的电流方向与所述隧道磁阻芯片上标注的磁场敏感方向遵循安培定则。
[0011] 进一步的，所述U形槽部件的槽的一侧与所述V形槽部件的槽的一侧铰接，并可沿垂直于槽截面的方向转动；
[0012] 所述U形槽部件的槽的另一侧与所述V形槽部件的槽的一侧通过卡扣进行连接。
[0013] 进一步的，所述隧道磁阻芯片设置于所述直线位移传感器的顶部，包括：
[0014] 在直线位移传感器的顶部设置磁敏
探头；所述磁敏探头的材质包括阻燃塑料；
[0015] 将所述隧道磁阻芯片贴装在PCB板上并封装至磁敏探头内部，保证所述隧道磁阻芯片垂直于所述对称轴。
[0016] 进一步的，所述装置还包括计算单元；
[0017] 所述直线位移传感器用于采集在所述装置放入待测通电导线后，该传感器的直线位移量；所述直线位移传感器的输出端与所述计算单元的输入端相连；
[0018] 所述隧道磁阻芯片用于采集受磁场强度影响的模拟差分
信号；所述隧道磁阻芯片的输出端与所述计算单元的输入端相连；
[0019] 所述计算单元用于根据所述直线位移量以及模拟
差分信号计算获得待测通电导线的电流值。
[0020] 进一步的，所述计算单元用于根据接收的所述模拟差分信号，计算获得磁场强度；
[0021] 所述计算单元用于根据接收的所述直线位移量，计算获得隧道磁阻芯片距导线中心的距离；
[0022] 所述计算单元用于根据所述磁场强度以及所述隧道磁阻芯片距导线中心的距离，计算获得待测通电导线的电流值。
[0023] 进一步的，当所述V形槽部件的槽截面的V形
角的角度为90度时；所述电流I的计算方式为：
[0024]
[0025] 其中，μ0为空气的磁导率；h为所述直线位移量，即所述直线位移传感器在测量时，以所述V形角的
顶点为起点移动的距离；B为磁场强度。
[0026] 进一步的，所述V形槽部件以及U形槽部件表面各设置有
水平仪；两个水平仪在所述V形槽部件以及所述U形槽部件相对放置时相互平行；
[0027] 所述V形槽部件以及所述U形槽部件相对放置时的
接触面上设置有弹性缓冲材料；
[0028] 所述V形槽部件以及U形槽部件相连接的卡扣包括可调节松紧的紧
锁部件；
[0029] 在测量前，通过调节所述所述紧锁部件调整所述两个水平仪的示数保持相同。
[0030] 所述一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量方法包括：
[0031] 将待测量的通电导线置于相对放置的V形槽部件以及U形槽部件之间，通过直线位移传感器以及V形槽紧固固定；
[0032] 通过直线位移传感器采集直线位移量；
[0033] 通过隧道磁阻芯片采集受磁场强度影响的模拟差分信号；
[0034] 根据所述直线位移量以及模拟差分信号计算获得待测通电导线的电流值。
[0035] 进一步的，所述根据所述直线位移量以及模拟差分信号计算获得待测通电导线的电流值，包括：
[0036] 根据接收的所述模拟差分信号，计算获得磁场强度；
[0037] 根据接收的所述直线位移量，计算获得隧道磁阻芯片距导线中心的距离；
[0038] 根据所述磁场强度以及所述隧道磁阻芯片距导线中心的距离，计算获得待测通电导线的电流值。
[0039] 进一步的，当所述V形槽部件的槽截面的V形角的角度为90度时；所述电流I的计算方式为：
[0040]
[0041] 其中，μ0为空气的磁导率；h为所述直线位移量，即所述直线位移传感器在测量时，以所述V形角的顶点为起点移动的距离；B为磁场强度。
[0042] 本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量装置及方法，所述装置及方法无需互感器测量电流；通过隧道磁阻芯片监测通电导线附近磁场特性，并计算其中电流大小；所述装置及方法充分利用了隧道磁阻芯片灵敏度高、功耗低、低本底噪声，动态范围宽、
磁滞低的特点，满足随器量测用电流传感器的高
精度小型化设计需求。所述装置及方法通过对用电器电流的测量，实现对不同用电器用电量的精细化管理，为节能降耗奠定有力基础。
附图说明
[0043] 通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
[0044] 图1为本发明具体实施方式的一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量装置的结构图；
[0045] 图2为本发明具体实施方式的一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量方法的
流程图。
具体实施方式
[0046] 现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的
实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0047] 除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0048] 图1为本发明具体实施方式的一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量装置的结构图；如图1所示，所述装置包括：
[0049] V形槽部件120以及U形槽部件110；所述U形槽部件110包括直线位移传感器111以及隧道磁阻芯片112；
[0050] 所述U形槽部件110的槽截面为沿中心轴左右对称的；所述V形槽部件120的槽截面为沿中心轴左右对称的；
[0051] 如图1所示，本实施例中，所述U形槽部件110的槽截面为半圆，所述半圆的最高点与半圆圆心的连线即在中心轴上；但所述槽截面不仅包括半圆，还包括左右对称的其他形状的U形槽截面；
[0052] 所述V形槽部件120的槽截面为等腰三角形，特别的，为了方便计算所述等腰三角形可以为等边三角形或等腰直角三角形；本实施例中，优选的选择所述槽截面为等腰直角三角形，其最低点为直角；
[0053] 所述U形槽部件110的槽与所述V形槽部件120的槽的相对放置；所述U形槽部件110的槽截面的对称轴与所述V形槽部件120的槽截面的对称轴重合；
[0054] 本实施例中所述的相对放置，即指如图1所示的方式，即槽和槽相对在一起，形成一般是U形空间一半是V形空间的空间区域，该空间区域即用于放置待测通电导线；
[0055] 在待测通电导线放置在该空间区域内时，所述U形槽截面的最高点、U形槽截面所在半圆的圆心(或其他槽截面的对应位置)、通电导线截面的圆心以及V形槽截面的最低点，四点位于同一条直线上，及所述的对称轴。
[0056] 所述直线位移传感器111设置在所述U形槽槽截面与对称轴的相交的位置，且所述直线位移传感器111的位移方向与所述对称轴重合；
[0057] 所述隧道磁阻芯片112设置于所述直线位移传感器111的顶部，并垂直于所述对称轴；
[0058] 如图1所示，本实施例中，所述直线垂直传感器为滑阻式直线位移传感器111，检测传感器位移距离；所述直线位移传感器111的位移方向与所述对称轴重合也就是说，所述直线位移传感器111在所述对称轴上移动；
[0059] 在直线位移传感器111的顶部设置磁敏探头；所述磁敏探头的材质可为阻燃塑料；进一步的，所述U形槽部件110以及V形槽部件120与待测通电导线接触的面的材质均可为阻燃塑料，以保证在测量时的安全性。
[0060] 将所述隧道磁阻芯片112贴装在PCB板上并封装至磁敏探头内部，保证所述隧道磁阻芯片112垂直于所述对称轴。所述的隧道磁阻芯片112是贴片状结构，所述的垂直于对称轴是指将所述隧道磁阻芯片112抽象化为一个平面时，该平面是垂直于对称轴的，这使得在测量通电导线时磁场切割效果最好；
[0061] 另外由于所述隧道磁阻芯片112上标注有磁场敏感方向，故在封装所述隧道磁阻芯片112时，应当注意封装方向，以保证所述隧道磁阻芯片112的磁场敏感方向与待测通电导线形成的磁场在安培定则下的磁场方向可以是一致的。
[0062] 进一步的，所述U形槽部件110的槽的一侧与所述V形槽部件120的槽的一侧铰接，并可沿垂直于槽截面的方向转动；所述U形槽部件110的槽的另一侧与所述V形槽部件120的槽的一侧通过卡扣进行连接。
[0063] 本事实施例中，为了在测量时保证通电导线的位置相对固定，可通过上述的连接方式紧固U形槽部件110以及V形槽部件120；本实施例中仅提供了一种连接方式，但要说明的是，其他可以使U形槽部件110以及V形槽部件120固定连接且使得通电导线的位置相对固定的方式都可以应用于本装置中。
[0064] 进一步的，为了提高本装置的精度和灵敏度，在测量时，应保持V形槽部件120以及U形槽部件110的对称轴重合；基于此，在所述V形槽部件120以及U形槽部件110表面各设置有水平仪；两个水平仪在所述V形槽部件120以及所述U形槽部件110相对放置时相互平行；当两个水平仪处于相同的水平状态时，所述V形槽部件120以及U形槽部件110的对称轴至少是平行的，因如上所述的连接方式，所述V形槽部件120以及U形槽部件110在横向上的相对位置是固定的，故当所述V形槽部件120以及U形槽部件110的对称轴平行时，两对称轴重合。
[0065] 为了保证V形槽部件120以及U形槽部件110所处的水平状态可相对调整，所述V形槽部件120以及所述U形槽部件110相对放置时的接触面上设置有弹性缓冲材料；所述V形槽部件120以及U形槽部件110相连接的卡扣包括可调节松紧的紧锁部件；在测量前，通过调节所述所述紧锁部件调整所述两个水平仪的示数保持相同。
[0066] 本实施例中，所述的紧锁部件可以为具有限位功能的
紧固件，例如
螺栓螺母。
[0067] 测量时，将待测通电导线置于相对放置的V形槽部件120以及U形槽部件110之间，通过直线位移传感器111以及V形槽紧固固定；所述通电导线的电流方向与所述隧道磁阻芯片112上标注的磁场敏感方向遵循安培定则。
[0068] 进一步的，所述装置还包括计算单元；
[0069] 所述直线位移传感器111用于采集在所述装置放入待测通电导线后，该传感器的直线位移量；所述直线位移传感器111的输出端与所述计算单元的输入端相连；
[0070] 所述隧道磁阻芯片112用于采集受磁场强度影响的模拟差分信号；所述隧道磁阻芯片112的输出端与所述计算单元的输入端相连；
[0071] 所述计算单元用于根据所述直线位移量以及模拟差分信号计算获得待测通电导线的电流值。
[0072] 具体的，所述计算单元用于根据接收的所述模拟差分信号，计算获得磁场强度；所述隧道磁阻芯片112的V+引脚以及V-引脚与输出模拟差分信号，该模拟差分信号与所述隧道磁阻芯片112所在的磁场大小成线性关系，故可通过预设的正比例参数，以模拟差分信号获得磁场强度值。
[0073] 所述计算单元用于根据接收的所述直线位移量，计算获得隧道磁阻芯片112距导线中心的距离；在没有将所述待测的通电导线放置到装置中时，所述直线位移传感器111可以处于V形槽部件120槽截面的最低端位置，当将待测的通电导线放置到所述装置中时，直线位移传感器111移动的举例，即为计算需要的隧道磁阻芯片112距导线中心的距离；若在没有将所述待测的通电导线放置到装置中时，所述直线位移传感器111没有处于V形槽部件120槽截面的最低端位置时，其所在的位置应当是确定的，通过其移动的距离以及其原始的位置，仍然可计算获得隧道磁阻芯片112距导线中心的距离
[0074] 所述计算单元用于根据所述磁场强度以及所述隧道磁阻芯片112距导线中心的距离，计算获得待测通电导线的电流值。
[0075] 可知所述到县内电流I的计算方式为：
[0076] I＝2πr*μ0*B
[0077] 本实施例中，仅以当所述V形槽部件120的槽截面的V形角的角度为90度时进行举例计算：所述电流I的计算方式为：
[0078]
[0079] 其中，μ0为空气的磁导率；h为所述直线位移量，即所述直线位移传感器111在测量时，以所述V形角的顶点为起点移动的距离；r为导线的线径；B为磁场强度。
[0080] 图2为本发明具体实施方式的一种基于隧道磁阻芯片的随器电流测量方法的流程图，如图2所示，所述方法包括：
[0081] 步骤210，将待测量的通电导线置于相对放置的V形槽部件以及U形槽部件之间，通过直线位移传感器以及V形槽紧固固定；
[0082] 步骤220，通过直线位移传感器采集直线位移量；
[0083] 步骤230，通过隧道磁阻芯片采集受磁场强度影响的模拟差分信号；
[0084] 步骤240，根据所述直线位移量以及模拟差分信号计算获得待测通电导线的电流值。
[0085] 进一步的，所述根据所述直线位移量以及模拟差分信号计算获得待测通电导线的电流值，包括：
[0086] 根据接收的所述模拟差分信号，计算获得磁场强度；
[0087] 根据接收的所述直线位移量，计算获得隧道磁阻芯片距导线中心的距离；
[0088] 根据所述磁场强度以及所述隧道磁阻芯片距导线中心的距离，计算获得待测通电导线的电流值。
[0089] 进一步的，当所述V形槽部件的槽截面的V形角的角度为90度时；所述电流I的计算方式为：
[0090]
[0091] 其中，μ0为空气的磁导率；h为所述直线位移量，即所述直线位移传感器在测量时，以所述V形角的顶点为起点移动的距离；B为磁场强度。
[0092] 在此处所提供的
说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0093] 本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模
块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的
权利要求、
摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。本说明书中涉及到的步骤编号仅用于区别各步骤，而并不用于限制各步骤之间的时间或逻辑的关系，除非文中有明确的限定，否则各个步骤之间的关系包括各种可能的情况。
[0094] 此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本公开的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0095] 本公开的各个部件实施例可以以
硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的
软件模块实现，或者以它们的组合实现。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，
计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网
网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
[0096] 应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
[0097] 以上所述仅是本公开的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开精神的前提下，可以作出若干改进、
修改、和
变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本
申请的保护范围内。
