專利名稱：利用巨磁電阻測量電流的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量電流的方法，尤其是指一種適用于工業(yè)設(shè)備中測量大電流的利用巨磁電阻測量電流的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的測量電流的電流表是釆用霍爾元件，直接在電線上測量電流，這種測量方式不夠便捷、安全，測量的電流精度不高，測量儀器本身的體積較大，制造成本高，尤其在大型工業(yè)設(shè)備中測量大電流時，更體現(xiàn)其上述的缺點(diǎn)。
目前，巨磁電阻的技術(shù)已被應(yīng)用到有關(guān)領(lǐng)域中使用。例，應(yīng)用"巨磁電P且"
效應(yīng)制成的硬盤已經(jīng)縮小到了一張郵票的大小，但是它的存儲能力卻提高了 50倍。釆用巨磁電阻制造的產(chǎn)品具有小型化，廉價化等優(yōu)點(diǎn)。
"磁電阻"效應(yīng)是指在一定磁場下磁性金屬和合金材料的電阻值會發(fā)生變化，所謂"巨磁電阻"效應(yīng)，是指磁性金屬和合金材料的器件在極弱的磁場變化時可以造成明顯的電阻值變化，變化的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值高IO余倍，從而該器件可以成為讀取磁性介質(zhì)內(nèi)所存儲的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為電流信號的理想工具。
關(guān)于巨磁電阻的結(jié)構(gòu)參見圖1，圖1為巨磁電阻器件的結(jié)構(gòu)原理圖。巨磁電阻器件由4個相同材料且阻值嚴(yán)格相等(阻值設(shè)為R)的巨磁電阻R1-R4接成直流電橋結(jié)構(gòu)，如圖所示。其中R4和R2有坡莫合金層屏蔽層，其阻值不隨外界磁場變化，而R1和R3阻值是隨外界磁場的變化而變化的巨磁電阻，巨磁電阻器件具有工作電壓端V+和V-以及具有輸出端Vout和G。若將工作電壓端V十和V-間開路，將輸出端Vout和G之間作為待測器件電阻的兩端，那么Rl和R4的串聯(lián)電阻阻值為R+R+AR1=2R+AR1，其中R為與磁場無關(guān)的原單個電阻的阻值，而AR1為存在的外磁場B的強(qiáng)度變化時，單個巨磁電阻R1的電阻改變量。同樣，此時R2和R3的串聯(lián)電阻值為R3+R2 =2R+AR3,而厶R3為存在外磁場變化時，單個巨磁電阻R3的電阻改變量，由于R1和R3是由相同材料且阻值嚴(yán)格相等的材料制成，因此ARl-AR3-AR=R(B)-R。這樣，Vout和0間的總電阻(R總)=R+AR/2。其中AR-R(B)-R，而R是固定的值，R(B)分別為隨外磁場B的強(qiáng)度變化有關(guān)的Rl、 R3的電阻值。由此可知，由于R是固定的，所以只需測量出巨磁電阻器件的總電阻(R總)便可求得外磁場B的強(qiáng)度。
此類巨磁電阻器件具有如下特點(diǎn)磁電阻率AR/R與對外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；低飽和場，工作磁場?。浑娮桦S磁場變化迅速,搡作磁通小，靈敏度高；利用層間轉(zhuǎn)動磁化過程能有效地抑制Barkhausen噪聲，信噪比高。因此，利用巨磁電阻技術(shù)測量電流是業(yè)內(nèi)發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)的接觸式測量電流的方法所存在的缺點(diǎn)，提供一種測量電流時具有便捷、安全，測量精度高的利用巨磁電阻測量電流的方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種利用巨磁電阻測量電流的方法，包括
第一步驟，將被測電流的待測導(dǎo)線連接一直流/交流電源、直流/交流電流表、變阻器，形成一電流可調(diào)的待測電流回路；
第二步驟，巨磁電阻型電壓傳感器與待測導(dǎo)線有一固定距離d,將巨磁電阻型電壓傳感器的工作電壓端連接一工作電源，巨磁電阻型電壓傳感器的輸出端連接一電壓表，形成一測量回路；
第三步驟，確定待測電流回路中是交流電或是直流電，用變阻器逐步改變待測電流回路中的被測電流I，同時在測量回路中測出巨磁電阻型電壓傳感器的輸出電壓Vo， I與Vo呈線性關(guān)系，該線性關(guān)系經(jīng)擬合后的擬合電壓為U，擬合電壓U與被測電流I滿足以下公式
u = k i畫g
當(dāng)巨磁電阻型電壓傳感器與待測導(dǎo)線之間的距離d固定以及被測電流是交流電還是直流電確定時，k、 q是常數(shù)；
第四步驟，改變第二步驟中的巨磁電阻型電壓傳感器與待測導(dǎo)線的固定距離d的值，重復(fù)上述第一到第三步驟，將會得到對應(yīng)改變距離d后的k、 q值;
第五步驟，如此重復(fù)上述第一到第四步驟，求得多種使用條件下的相對應(yīng)的k、 q常數(shù)，做成輸出電壓~被測電流關(guān)系的對照工具；
4第六步驟，使用時由測量回路中的電壓表上測得的輸出電壓再根據(jù)輸出電壓~被測電流關(guān)系的對照工具即可測出待測導(dǎo)線中的被測電流。
本發(fā)明的效果
本發(fā)明的利用巨磁電阻測量電流的方法由于是采用巨磁電阻器件測量電流，因此具有便捷、安全，測量精度高，靈敏度高，信噪比高的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于作為工業(yè)設(shè)備中測量大電流的方法。本發(fā)明具有較大的使用及商業(yè)價值。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的上述目的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效果，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖l為巨磁電阻器件的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明中利用巨磁電阻測量電流的方法的電原理圖；圖3為本發(fā)明中巨磁電阻型電壓傳感器與被測電流的待測導(dǎo)線之間的位置關(guān)系圖4本發(fā)明利用巨磁電阻測量電流的第一實施例所示的輸出的擬合電壓與
被測電流的關(guān)系圖5本發(fā)明利用巨磁電阻測量電流的第二實施例所示的輸出的擬合電壓與
被測電流的關(guān)系圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的利用巨磁電阻測量電流的方法的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明的利用巨磁電阻測量電流的方法參見圖2，圖2為本發(fā)明中利用巨磁電阻測量電流的方法的電原理本發(fā)明中是采用巨磁電阻器件制成的電壓傳感器，即巨磁電阻型電壓傳感器(GMR) 10,巨磁電阻型電壓傳感器10是利用巨磁電阻器件隨被測電流引起外磁場強(qiáng)度的弱小變化時其電阻值產(chǎn)生明顯變化，從而通過測量出巨磁電阻器件的總電阻(R總)便可求得外磁場B的強(qiáng)度的特點(diǎn)，根據(jù)該外磁場B的強(qiáng)度求得電流值并將之轉(zhuǎn)化為電壓信號體現(xiàn)出來的一種傳感器部件。
利用巨磁電阻測量電流的方法包括
將被測電流的待測導(dǎo)線40連接一直流/交流電源50、電流表60 (直流/交20
流)、變阻器(本實施例采用5歐姆滑動電阻)70，形成一電流可調(diào)的待測電流 回路。
將巨磁電阻型電壓傳感器IO接近待測導(dǎo)線40，兩者距離設(shè)為D，巨磁電 阻型電壓傳感器10本身具有感應(yīng)外磁場變化的敏感軸(P-P')，在使用時，被 測電流的待測導(dǎo)線40與該敏感軸始終垂直(參見圖3),以保證測量精度。將 巨磁電阻型電壓傳感器10的工作電壓端連接一工作電源30，巨磁電阻型電壓 傳感器10的輸出端連接一電壓表20,形成一測量回路。
本發(fā)明采用的第一實施例是待測電流回路中的直流/交流電源50提供直流 電源，待測導(dǎo)線40與巨磁電阻.型電壓傳感器10距離D為O.lOmm時，逐步改 變待測電流回路中的變阻器70的電阻，在電流表60中可以讀出待測導(dǎo)線40 中的變化的電流Ii，同時，由于待測導(dǎo)線40中的電流變化將會使周圍形成的磁 場發(fā)生變化，巨磁電阻型電壓傳感器10將此變化信號在測量回路的電壓表20 中用電壓信號Voi (以下稱實際輸出電壓)讀出，經(jīng)多點(diǎn)測試，待測導(dǎo)線40中 的電流h的變化與巨磁電阻型電壓傳感器lO的測得的實際輸出電壓Voi成線性 關(guān)系，如圖4所示，圖4中的圓點(diǎn)是待測導(dǎo)線40中的電流h的變化與巨磁電 阻型電壓傳感器10的測得的實際輸出電壓V。i的變化的關(guān)系，直線是被測電流 Ii與巨磁電阻型電壓傳感器10的實際輸出電壓Voi線性關(guān)系通過EXCEL擬合后 的擬合電壓Ui與Ii的關(guān)系。
圖4的數(shù)據(jù)可用表1列出。
表l:
被測電流Ii(A)實際輸出電壓Vol (mV)擬合電壓Ui (mV)
0-3. 22-3.9147
0. 07-2.8-3.2172
0.158-2.21-2.34034
0. 246-1.56-1.46349
0. 335-O. 76-0.57667
0. 4240.140.310149
0.5121.031.187003
0.61.922.063858
0. 6872. 822.930749
0. 7763. 643.817568
0. 8654. 484.704387
60. 9525. 435. 571277
1.056. 346.547774
1. 1457.137.494379
1.248.128.440983
1. 3449.229.477266
1.43510. 4510.38401
1.52711.4811.30073
1.6212. 5712.2274
1.71213. 5413.14411
1.80614.4114.08075
經(jīng)過計算，擬合電壓Ui與被測電流Ii滿足線性關(guān)系:
Ui=9.964258Ii-3.9147 公式1
本發(fā)明釆用的第二實施例是待測電流回路中的直流/交流電源50提供交流 電源，待測導(dǎo)線40與巨磁電阻型電壓傳感器10距離D為0.10mm時，逐步改 變待測電流回路中的變阻器70的電阻，在電流表60中可以讀出待測導(dǎo)線40 中的變化的電流l2，同時，由于待測導(dǎo)線40中的電流變化將會使周圍形成的磁 場發(fā)生變化，巨磁電阻型電壓傳感器10將此變化信號在測量回路的電壓表20 中用電壓信號V。2 (以下稱實際輸出電壓)讀出，經(jīng)多點(diǎn)測試，待測導(dǎo)線40中
的電流I2的變化與巨磁電阻型電壓傳感器10的測得的實際輸出電壓V。2成線性
關(guān)系，如圖5所示，圖5中的圓點(diǎn)是待測導(dǎo)線40中的電流l2的變化與巨磁電 阻型電壓傳感器10的測得的實際輸出電壓V。2的耷化的關(guān)系，直線是被測電流 h與巨磁電阻型電壓傳感器10的實際輸出電壓V。2線性關(guān)系通過EXCEL擬合后 的擬合電壓U2與h的關(guān)系。 圖4的數(shù)據(jù)可用表1列出。
表2:
被測電流12(A)實際輸出電壓Vo2(mV)擬合電壓U2 (mV)
0-4. 72-5.93375
0.175-3. 5-3.33921
0. 365-O. 7-0.52228
0. 5311.621. 938832
0. 7524. 575.215366
0. 9257. 537. 780256
1. 10810. 4310.4934
1.27612.8812.98416
1.43915. 2715. 40079
71.60817.7817.90638
1.7820. 5720.45644
1.94323.0122. 87307
2. 15326.525. 98652
經(jīng)過計算，擬合電壓U2與被測電流l2滿足線性關(guān)系:
U2= 12.23141 12 -3.33921 公式2
從上述兩個實施例可以看出，用巨磁電阻型電壓傳感器測量電流時，不論 交流電還是直流電，巨磁電阻型電壓傳感器10與待測導(dǎo)線40之間的距離D固 定時，被測電流I的變化與巨磁電阻型電壓傳感器的輸出電壓Vo成線性關(guān)系， 該線性關(guān)系通過EXCEL擬合后的擬合電壓U與I的關(guān)系滿足以下公式
U = KI-Q 公式3
當(dāng)巨磁電阻型電壓傳感器10與待測導(dǎo)線40之間的距離D固定以及被測電 流是交流電還是直流電確定時，K、 Q是常數(shù)。
根據(jù)上述兩個實施例的方法，在確定是交流電或是直流電后，在巨磁電阻 型電壓傳感器10與待測導(dǎo)線40之間的距離處于多種不同的距離D時，求得多 種使用條件下的相對應(yīng)的K、 Q常數(shù)，這樣，就可以制成輸出電壓~被測電流 關(guān)系的對照工具。實際使用時由測量回路中的電壓表上測得的輸出電壓再根據(jù) 輸出電壓-被測電流關(guān)系的對照工具即可測出待測導(dǎo)線中的被測電流。
從上述實施例看出，本方案是利用高靈敏度的巨磁電阻型傳感器測量長直 導(dǎo)線通過的電流時，在其固定位置產(chǎn)生的磁場。測量磁場的大小，可以精確測 量通過導(dǎo)線的電流。其特點(diǎn)是被測量的電流越大，巨磁電阻型傳感器的輸出電 壓與被測電流的線性關(guān)系越好，測量精度越高，如果是10A—一200A電流更好， 尤其適用于大型工業(yè)設(shè)備中測電流。
采用巨磁電阻器件與其他幾種霍爾元件制成的測量電流的方法相比，無論 是在使用方法，還是測量精度、非線性度、影響速度、等方面都可看出其巨大 優(yōu)勢，體現(xiàn)了利用巨磁電阻器件測量的全方面優(yōu)勢，因此，本發(fā)明具有較大的 使用及商業(yè)價值。
本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實施例僅是用來說明本 發(fā)明的目的，而并非用作對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)，對以 上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1，一種利用巨磁電阻測量電流的方法，其特征在于包括第一步驟，將被測電流的待測導(dǎo)線連接一直流/交流電源、直流/交流電流表、變阻器，形成一電流可調(diào)的待測電流回路；第二步驟，巨磁電阻型電壓傳感器與待測導(dǎo)線之間有一固定距離D，將巨磁電阻型電壓傳感器的工作電壓端連接一工作電源，巨磁電阻型電壓傳感器的輸出端連接一電壓表，形成一測量回路；第三步驟，確定待測電流回路中是交流電或是直流電，用變阻器逐步改變待測電流回路中的被測電流I，同時在測量回路中測出巨磁電阻型電壓傳感器的輸出電壓V0，I與V0呈線性關(guān)系，該線性關(guān)系經(jīng)擬合后的擬合電壓為U，擬合電壓U與被測電流I滿足以下公式U＝K I-Q，當(dāng)巨磁電阻型電壓傳感器與待測導(dǎo)線之間的距離固定D以及被測電流是交流電還是直流電確定時，K、Q是常數(shù)；第四步驟，改變第二步驟中的巨磁電阻型電壓傳感器與待測導(dǎo)線的固定距離D的值，重復(fù)上述第一到第三步驟，將會得到對應(yīng)改變距離D后的K、Q值；第五步驟，如此重復(fù)上述第一到第四步驟，求得多種使用條件下的相對應(yīng)的K、Q常數(shù)，做成輸出電壓～被測電流關(guān)系的對照工具；第六步驟，使用時由測量回路中的電壓表上測得的輸出電壓再根據(jù)輸出電壓～被測電流關(guān)系的對照工具即可測出待測導(dǎo)線中的被測電流。2，如權(quán)利要求2所述的利用巨磁電阻測量電流的方法，其特征在于所述巨磁電阻型電壓傳感器具有感應(yīng)外磁場變化的敏感軸，測量時被測電流的待測導(dǎo)線與該敏感軸保持垂直。
2，如權(quán)利要求2所述的利用巨磁電阻測量電流的方法，其特征在于 所述巨磁電阻型電壓傳感器具有感應(yīng)外磁場變化的敏感軸，測量時被測電 流的待測導(dǎo)線與該敏感軸保持垂直。
全文摘要
一種利用巨磁電阻測量電流的方法，包括將待測導(dǎo)線形成一電流可調(diào)的待測電流回路；巨磁電阻型電壓傳感器與待測導(dǎo)線之間有一固定距離D，將巨磁電阻型電壓傳感器形成一測量回路；逐步改變被測電流I，同時對應(yīng)記錄測量回路中的輸出電壓V₀，I與V₀呈線性關(guān)系，經(jīng)擬合后的擬合電壓U與被測電流I滿足公式U＝KI-Q，上述距離D以及被測的電流是交流或直流固定時，K、Q是常數(shù)；不斷改變D，重復(fù)上述過程求得多種使用條件下的相對應(yīng)的K、Q常數(shù)，制成輸出電壓～被測電流關(guān)系的對照工具；使用時由測得的輸出電壓再根據(jù)輸出電壓～被測電流關(guān)系的對照工具即可測出被測電流。本發(fā)明具有使用便捷、安全，測量精度高的效果。
文檔編號G01R19/00GK101487856SQ20081003266
公開日2009年7月22日 申請日期2008年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月15日
發(fā)明者王崝沄, 俊 高 申請人:上海市七寶中學(xué)