本发明公开了一种测量连接于导电体的负载的能量消耗的电表传感器。该电表传感器通过单独使用磁性传感器或使用磁性传感器与电容的组合，实现了在传感器与供电导线电气隔离情况下的负载电能消耗的测量。通过测量负载两端的电压和导线中的电流，实现负载的瞬时功率和其它所需参数的实时测量。电流是通过磁性传感器检测与流过导线的电流关联的磁场来测量的。电压的测量有两种可行的方式，一是磁性传感器测量与负载并联的分流电阻线圈中的电流，二是通过应用与负载并联的耦合电容分压器来测量。此外，本发明还公开了一种能控制传感器的偏置电流以自动调整量程和计算所需参数（例如，电能消耗）的专用集成电路。
1.一种独立封装的电表传感器（18），其用以测量连接在内部导线（3）上的负载（2）的能量消耗，其特征在于包括：一内部导线（3），其串联在电源（1）与负载（2）之间；
一内部电阻性电压分流线圈（4），其串联在内部导线（3）和外部地线或中性接头之间；
第一磁性传感器（12），其紧邻内部导线（3）设置并与流过该内部导线的电流所产生的磁场磁耦合，第一磁性传感器测量环绕着该内部导线的磁通量，并且产生响应于该磁通量的一第一输出，该第一输出指示内部导线中的电流信号（I）；
第二磁性传感器（11），其紧靠与负载（2）并联的电压分流线圈（4）设置，并与流经该电压分流线圈电流的磁场磁耦合，第二磁性传感器（11）检测通过电压分流线圈的电流，并提供响应于该电流的一第二输出，该第二输出指示负载（2）两端的电压信号（V）；
一采样模块（14），用于对电压信号（V）和电流信号（I）进行采样并将它们转换成数字形式；
一用来对第一磁性传感器（12）输出的电流信号（I）和第二磁性传感器（11）输出的电压信号（V）采样时间进行分时复用的多路复用器（13）；
一将处理后的数据转换成能够与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块（16）。
2. 如权利要求1所述的电表传感器（18），其特征是：第一磁性传感器（12）和第二磁性传感器（11）包含磁性隧道结传感器。
3.如权利要求1所述的电表传感器（18），其特征是：第一磁性传感器（12）、第二磁性传感器（11）、采样模块（14）、数据处理模块（15）以及通信的数据转换接口逻辑模块（16）与内部电阻性电压分流线圈（4）、待测网络电气和物理隔离，隔离是通过使用磁耦合和绝缘电介层来实现的。
4.如权利要求1所述的电表传感器（18），其特征是：第一磁性传感器（12）和第二磁性传器（11）分别包含至少一个MTJ传感器。
5.如权利要求4所述的电表传感器（18），其特征是：至少有一个磁性传感器（11、12）具有一偏置电压响应特征曲线，该曲线被用来控制磁性传感器响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。
6.如权利要求4所述的电表传感器（18），其特征是:至少有一个磁性传感器具有一个片上电磁铁，用来线性化磁性传感器响应。
7.一种独立封装的电表传感器（18），用来测量连接在内部导线（3）上的负载（2）的能量消耗，其特征在于包括： 一内部导线（3），其串联在电源输入导线（1）与负载（2）之间；
一用来对电压检测电路和电源输入导线相隔离的能够用一RC网络替代的外接电容（40），以调整线路带宽；
一磁性传感器（12），其紧邻内部导线设置并与流过该内部导线的电流关联的磁场磁耦合；该磁性传感器检测环绕着内部导线（3）的磁通量，并产生响应于该磁通量的一第一输出，该第一输出指示内部导线（3）中的电流大小； 一连接到放大器或是缓冲器两个输入端的电阻（21），该电阻与外接电容（40）结合使用而构成一分压网络，该分压网络用来测量负载两端的电压；
一对电压信号（V）和电流信号（I）进行采样并转换成数字形式的采样模块（14）；
一对磁性传感器输出的电流信号（I）和由内部电阻（21）和外接电容（40）构成的分压网络输出的电压信号（V）采样时间进行分时复用的多路复用器（13）；
一将处理后的数据转换成能够与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块（16）。
8.如权利要求7所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器（12）包括至少一个磁性隧道结（MTJ）器件。
9.如权利要求7所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器（12）、采样模块（14）、数据处理模块（15）以及通信的数据转换接口逻辑模块（16）与电源输入导线（1）电气和物理隔离，电气隔离通过使用磁耦合、绝缘层和外部的电容实现。
10.如权利要求9所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器（12）具有一偏置电压响应特征曲线，用来控制磁性传感器的响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。
11.如权利要求9所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器（12）具有一片上电磁铁，用来线性化磁性传感器响应。
12.一种独立封装的电表传感器（18），用来测量连接在外部导线（5）上的负载（2）的能量消耗，其特征在于包括： 一外部导线（5），其串联在电源导线（1）与负载（2）之间；
一内部阻性电压分流线圈（4），其串联在电源导线（1）和外部地线或供电系统的中性端之间，该电压分流线圈（4）与负载（2）并联；
一第一磁性传感器（17），其安装在电表传感器（18）封装内部，使得它能与流过外部导线（5）的电流所产生的磁场磁耦合；第一磁性传感器（17）检测与该外部导线关联的磁通量，并且响应于该磁通量产生一第一输出，该第一输出指示所述外部导线中的电流信号（I）；
一第二磁性传感器（11），其紧靠与负载（2）并联的电压分流线圈（4）设置，并与流经该电压分流线圈（4）的电流产生的磁场磁耦合，第二磁性传感器（11）检测通过电压分流线圈的电流，并响应该电流而输出一个电压信号（V），该电压信号指示负载两端的电压；
一内部的高磁导率屏蔽结构（30），其用来将第二磁性传感器（11）屏蔽于外部导线（5）所产生的磁场，该屏蔽结构离第一磁性传感器（17）足够远，而且并不会对第一磁性传感器（17）感应外部导线（5）的磁场产生明显影响；
一采样模块（14），其对电压信号（V）和电流信号（I）进行采样并将它们转换成数字形式；
一用来对第一磁性传感器（17）输出的电流信号（I）和第二磁性传感器输出的电压信号（V）采样时间进行分时复用的多路复用器（13）；
一将处理后的数据转换成能够与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块（16）。
13.如权利要求12所述的电表传感器（18），其特征是：第一磁性传感器（17）和第二磁性传感器（11）包含MTJ磁性隧道结器件。
14.如权利要求12所述的电表传感器（18），其特征是：第一磁性传感器（17）、第二磁性传感器（11）、采样模块（14）、数据处理模块（15）和通信的数据转换接口逻辑模块（16）与电压分流线圈（4）、电源导线电气和物理隔离，隔离是通过使用绝缘电介层实现的。
15.如权利要求12所述的电表传感器（18），其特征是：第一磁性传感器（17）和第二磁性传感器（11）各包含至少一个MTJ传感器。
16.如权利要求15所述的电表传感器（18），其特征是：至少一个磁性传感器具有一偏置电压响应特征曲线，该曲线被用来控制磁性传感器的响应的幅值。
17.如权利要求15所述的电表传感器（18），其特征是：至少一个磁性传感器具有一片上电磁铁，该电磁铁用来线性化磁性传感器响应，并用来自动调整电表传感器的量程。
18.如权利要求15所述的电表传感器（18），其特征是：内部的屏蔽结构（30）用来对流过电源导线的电流所产生的磁场进行聚磁，使磁场的大小达到与第二磁性传感器的最佳磁场范围耦合。
19.如权利要求12所述的电表传感器，其特征是：第一磁性传感器通过设备封装外部的一开槽铁磁环（20）与外部导线（5）磁耦合。
20.如权利要求12所述的电表传感器（18），其特征是：通过将所述电表传感器（18）安装时尽可能的靠近一外部导线（5），使第一磁性传感器（17）与外部导线（5）所产生的磁场磁耦合。
21.一种独立封装的电表传感器（18），其用于测量连接在一外部导线（5）上的负载（2）的能量消耗，其特征在于包含：一串联在电源输入（1）与负载（2）之间的外部导线;
一第一磁性传感器（17），其设置在电表传感器（18）封装内部，以使得它能够与流过外部导线（5）的电流所产生的磁场磁耦合，所述第一磁性传感器（17）检测该外部导线的磁通量，并且响应于该磁通量产生一第一输出，该第一输出指示所述外部导线中的电流信号（I）；
一用来对电压检测电路和电源导线相隔离的能够用一RC网络替代的外接电容（40），以调整线路带宽；
一内部电阻（21），其连接到放大器或缓冲器（41）两个输入端，该内部电阻（21）与外接电容（40）结合使用构成一分压网络，用来测量负载（2）两端的电压；
一对电压信号（V）和电流信号（I）进行采样并将它们转换成数字形式的采样模块（14）；
一用来对第一磁性传感器（17）输出的电流信号（I）和内部电阻（21）与外接电容（40）结合使用构成一分压网络输出的电压信号（V）采样时间进行分时复用的多路复用器（13）；
一将处理后的数据转换成能够与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块（16）。
22.如权利要求21所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器（17）包含至少一个MTJ传感器。
23.如权利要求21所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器（17）、采样模块（14）、数据处理模块（15）以及通信的数据转换接口逻辑模块（16）与分压网络、待测网络电气和物理隔离，隔离通过使用一外部电容和绝缘电来实现。
24.如权利要求23所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器具有一偏置电压响应特征曲线，该曲线被用来控制磁性传感器的响应的幅值。
25.如权利要求23所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器具有一个片上电磁铁，该电磁铁用以线性化磁性传感器响应。
26.如权利要求21所述的电表传感器（18），其特征是：磁性传感器（17）通过设备封装外部的一开槽铁磁环（20）与外部导线（5）的磁场磁耦合。
27.如权利要求21所述的电表传感器（18），其特征是：将电表传感器安装时尽可能的靠近外部导线（5），使磁性传感器（17）与外部导线（5）所产生磁场磁耦合。
独立封装的电表传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于测量电能消耗的电表装置，更具体的，涉及采用隧道磁电阻(TMR，Tunneling Magnetoresistive)器件测量穿过导电体的电流和连接于导电体的负载两端的电压的领域。
背景技术
[0002] 在电力行业中，从相对高成本的机械式瓦特-小时电表向易于集成的低成本、多功能、能进行数据存储的固态式远传电表系统转变正成为一种趋势。虽然已经开发了用于计算与电能计量相关的电路参数的集成电路，但是，仍然需要一种能耐受供电网络不稳定所造成的电流瞬变冲击的电表传感器。它需要能在一个很宽的量程范围内测量不同环境下工作的不同负载的电能消耗，同时具有低成本、高精度和高集成度的优点。因此，开发一种与供电网络电气隔离的固态电表传感器是一种重要的实际需求。
[0003] 另外，通常的电表采用具有模拟输出的离散的传感器将电压和电流信息提供给后续计算电能消耗的微处理器电路。由于电能测量本身的特点，以及供电导线最小尺寸的限制，通常将传感器集成到与用于电能计算的微处理器相同的集成电路封装中非常困难。另外，一种能提供被测负载电压和电流等电能参数数字化的值，并与现有的供电网络电气隔离的传感器很容易和后续电路集成到一起，从而提高固态电表工作的稳定性，并降低成本。
[0004] 此外，获得高测量分辨率也是电表传感器的一个非常重要的参数。有一种重要的趋势是：采用霍尔传感器和磁阻传感器——包括各向异性磁电阻(AMR，Anisotropic Magnetoresistance)和巨磁电阻(GMR，Giant Magnetoresistance)替代常用的电流互感器或罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)来进行电流测量。霍尔传感器相对成本较高而且分辨率较低。各向异性磁电阻和巨磁电阻器件虽然具有较高的分辨率，但由于其输出信号幅值通常较小，从而增加了前端放大电路设计的困难，这使得整个系统的复杂度和集成电路尺寸有所增加，从而相应地提高了其成本。隧道磁电阻(TMR)器件，也称磁性隧道结(MTJ，MagneticTunnel Junction)器件，能提供一个很高的分辨率和更大幅值的信号，因此其前端放大电路比较简单，这样，采用TMR传感器件进行电能消耗测量，在整体上成本能得到有效降低。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术中的缺点，本发明提供一种测量系统与被测供电网络电气隔离，具有数字化输出，精度和分辨率更高的电表传感器，即一种采用隧道磁电阻的固态高精度电流隔离式电表传感器。
[0006] 按照本发明所提供的技术方案，电表传感器通过使用TMR磁性传感器或TMR磁性传感器与电容的组合，在传感器与供电网络电气隔离情况下测量负载所消耗的电能。通过测量负载两端的电压和导线中的电流，以获得负载的瞬时功率和其它所需要参数的实时测量。电流通过磁性传感器检测与流过导线的电流相关联的磁场来测量。电压的测量包括两种不同的方式，一是测量一个与负载并联的分流线圈所产生的磁场，二是通过测量与负载并联的耦合电容分压器的电压。之后将负载的电流和电压信号经ADC模数转换为数字信号，经微处理器计算处理后，再采用接口逻辑电路将所测得的数据转换成后续应用的可能形式。具体的有以下技术方案：
[0007] 方案一：
[0008] 一种独立封装的电表传感器，可以用来测量连接在导线上的负载的能量消耗，主要包括以下部分：
[0009] 一串联在电源输入与负载之间的内部导线；
[0010] 一串联在内部电源导线和外部地线或中性线间的电压分流线圈与内部电阻，电压分流线圈与负载并联；
[0011] 第一磁性传感器，其紧邻内部导线并与流过该导线的电流所产生的磁场磁耦合；第一磁性传感器测量环绕着该内部导线的磁通量，并且产生响应于该磁通量的一第一输出(电流信号)，该第一输出指示导线中的电流大小；
[0012] 第二磁性传感器，其紧靠与负载并联的电压分流线圈安置，并与流经该电压分流线圈电流的磁场磁耦合；第二磁性传感器检测通过电压分流线圈的电流，并提供响应于该电流的一第二输出(电压信号)，该第二输出指示负载两端的电压；
[0013] 一对电压信号和电流信号进行采样并将它们转换成数字形式的采样模块；
[0014] 一对所采样数据进行处理的数据处理模块；
[0015] 一用来对第一磁性传感器输出的电流信号和第二磁性传感器输出的电压信号采样时间进行分时复用的多路复用器；
[0016] 一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块。
[0017] 优选地，第一磁场传感器和第二磁场传感器使用的是MTJ磁性隧道结器件。
[0018] 优选地，第一磁性传感器件、第二磁性传感器件、采样模块、数据处理模块以及通信的数据转换接口逻辑模块与分流电阻线圈、待测网络电气和物理隔离，隔离是通过使用磁耦合和绝缘电介层来实现的。
[0019] 优选地，第一磁性传感器和第二磁性传器各自包含至少一个MTJ传感器。
[0020] 优选地，至少一个磁性传感器件具有一偏置电压响应特征曲线，该曲线被用来控制传感器的响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。
[0021] 优选地，至少一个磁性传感器件具有一片上电磁铁，该电磁铁用以线性化传感器响应。
[0022] 方案二：
[0023] 一种独立封装的电表传感器，可以用来测量连接在导线上的负载的能量消耗，主要包括：
[0024] 一串联在电源输入与负载之间的内部导线；
[0025] 一内部电阻和用以将电压检测电路与电源输入导线隔离的外接电容，该外接电容可以用一RC网络来替代，以调整它的带宽；
[0026] 一磁性传感器紧邻内部导线安置并与流过该导线的电流相关联的磁场磁耦合；该磁性传感器检测环绕着内部导线的磁通量，并且产生响应于该磁通量的一第一输出(电流信号)，该第一输出指示导线中的电流大小；
[0027] 一连接到放大器或缓冲器的两个输入端的电阻，该电阻与外接的电容结合使用以形成一分压网络，该网络用以测量负载两端的电压；
[0028] 一对电压信号和电流信号进行采样并转换成数字形式的采样模块；
[0029] 一对采样数据进行处理的数据处理模块；
[0030] 一用来对第一磁性传感器输出的电流信号和第二磁性传感器输出的电压信号采样时间进行分时复用的多路复用器；
[0031] 一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式兼容的接口逻辑模块。
[0032] 优选地，磁性传感器使用的是MTJ磁性隧道结器件。
[0033] 优选地，磁性传感器包含至少一个MTJ传感器。
[0034] 优选地，磁性传感器件、采样模块、数据处理模块以及通信的数据转换接口逻辑模块与分流电阻线圈、待测网络电气和物理隔离，隔离是通过使用的磁耦合和绝缘电介层来实现的。
[0035] 优选地，至少一个磁性传感器件具有偏置电压响应特征曲线，该曲线用以控制传感器的响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。
[0036] 优选地，磁性传感器件具有一片上电磁铁，该电磁铁用以线性化传感器响应。
[0037] 方案三：
[0038] 方案三所述的独立封装的电表传感器，可以用来测量连接在导线上的负载的能量消耗，主要由以下部分组成：
[0039] 一串联在电源输入与负载之间的外部导线；
[0040] 一串联在外部电源导线与外部地线或供电系统中性端的电压分流线圈，该电压分流线圈与负载并联；
[0041] 安装在电表传感器封装内部的第一磁性传感器，它与流过外部导线的电流所产生的磁场磁耦合，第一磁性传感器检测与外部导线相关联的磁通量，并且响应于该磁通量而产生一第一输出(电流信号)，该第一输出指示所述导线中的电流大小；
[0042] 第二磁性传感器，其紧靠与负载并联的电压分流线圈安置，并与流经该电压分流线圈的电流所产生的磁场磁耦合，第二磁性传感器检测通过电压分流线圈的电流，并响应该电流而输出一电压信号，该电压信号代表负载两端的电压；
[0043] 内部的一高磁导率的屏蔽结构，用以将第二磁性传感器件屏蔽于外部导线所产生的磁场，磁性屏蔽层离第一磁性传感器件足够远，而且并不会对第一传感器件感应外部电源导线的磁场产生明显影响；
[0044] 一对电压信号和电流信号进行采样并将它们转换成数字形式的采样模块；
[0045] 一对所采样数据进行处理的数据处理模块；
[0046] 一用来对第一磁性传感器输出的电流信号和第二磁性传感器输出的电压信号采样时间进行分时复用的多路复用器；
[0047] 一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块。
[0048] 优选地，第一磁场传感器和第二磁场传感器包含MTJ磁性隧道结器件。
[0049] 优选地，第一磁性传感器和第二磁性传器分别包含至少一个MTJ传感器。
[0050] 优选地，第一磁性传感器件、第二磁性传感器件、采样模块、数据处理模块以及通信的数据转换接口逻辑模块与分流电阻线圈、待测网络电气和物理隔离，隔离是通过使用磁耦合和绝缘电介层来实现的。
[0051] 优选地，至少一个磁性传感器件具有偏置电压响应特征曲线，该曲线用以控制传感器的响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。
[0052] 优选地，至少一个磁性传感器件具有一片上电磁铁，该电磁铁用以线性化传感器响应。
[0053] 优选地，内部屏蔽用以将外部导线产生的磁通量聚集在第一磁性传感器占据的区域。
[0054] 优选地，第一磁性传感器通过设备封装外部的一开槽铁磁环与电源导线磁耦合。
[0055] 优选地，通过将该封装靠近电源导线放置，使得第一磁性传感器与电源导线磁耦合。
[0056] 方案四：
[0057] 方案四所述的独立封装的电表传感器，其用以测量连接在导线上的负载的能量消耗，主要由以下部分组成：
[0058] 一串联在电源输入与负载之间的外部导线；
[0059] 安置在电表传感器封装内部的第一磁性传感器，以使得它能够与流过外部导线的电流所产生的磁场磁耦合；第一磁性传感器检测该外部导线的磁通量，并且响应于所述磁通量产生一第一输出(电流信号)，该第一输出指示所述外部导线中的电流大小；
[0060] 一用来对电压检测电路和电源输入导线隔离的外接电容，该外接电容可以用一RC网络替代，以调整它的带宽；
[0061] 一连接到放大器或缓冲器两个输入端的电阻，该电阻与外接的电容结合使用形成一分压网络，该分压网络用以测量负载两端的电压；
[0062] 一对电压信号和电流信号进行采样并将它们转换成数字形式的采样模块；
[0063] 一对所采样数据进行处理的数据处理模块；
[0064] 一用来对第一磁性传感器输出的电流信号和第二磁性传感器输出的电压信号采样时间进行分时复用的多路复用器；
[0065] 一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块。
[0066] 优选地，磁性传感器包含MTJ磁性隧道结器件。
[0067] 优选地，磁性传感器由至少一MTJ传感器构成。
[0068] 优选地，磁性传感器件、采样模块、数据处理模块以及通信的数据转换接口逻辑模块与分流电阻线圈、待测网络电气和物理隔离，隔离是通过使用磁耦合和绝缘电介层来实现的。
[0069] 优选地，至少一个磁性传感器件具有一偏置电压响应特征曲线，该曲线用以控制传感器的响应的幅值，并用来自动调整电表传感器的量程。
[0070] 优选地，至少一个磁性传感器件具有一片上电磁铁，该电磁铁用以线性化传感器响应。
[0071] 优选地，内部屏蔽用以将外部导线产生的磁通量聚集在第一磁性传感器占据的区域。
[0072] 优选地，第一磁性传感器通过电表传感器封装外部的一开槽铁磁环与电源导线磁耦合。
[0073] 优选地，在对电表传感器安装时，要尽可能的靠近电源导线，以使磁性传感器与电源导线所产生磁场的磁耦合。
[0074] 本发明还提供一种具有一数字输出的独立封装的隔离式电表传感器，其可与其他类似传感器相组合以形成一电表，用于测量共用三线单相和商用多相供电系统的能量消耗。
[0075] 有益效果：
[0076] 本发明主要通过磁场或磁场与电场的组合来感应负载电流和负载两端的电压。由于磁场和电场的检测都是与负载工作的电路电气隔离，因而在集成电路与供电线路之间不存在直接的连接。因此，关键的电子元件与供电线路之间相隔离，这极大的增强了测量系统对供电电压不稳定时出现的瞬变的耐受能力，因而工作更加稳定可靠。
[0077] 本发明的优选实施方案是采用由MTJ传感器组成的TMR传感器来测量负载电流和负载两端的电压。其中采用MTJ传感器来检测电流，而电容电桥或额外MTJ传感器与和负载并联的分流电阻线圈组合用于测量负载两端的电压。MTJ传感器具有比巨磁电阻(GMR)和各向异性磁电阻(AMR)传感器大得多的灵敏度和信号幅值，并具有相似的分辨力。这通过降低需要接口专用集成电路(ASIC)中的微控制器的前端电子元件的成本而简化了系统设计，微控制器用以计算和报告电能消耗。。
[0078] 本发明除了能提供电能消耗的电表参数以外，还具有计算输出功率和其它对后续应用有用的电路参数的能力。此外，本发明所述的电表传感器在与电力线电气隔离的情况下，具有将所计算的参数与数字通信系统进行通信的能力。由于它不再需要像传统的电表一样对模拟输出进行电气隔离和模数转换(ADC)，这使得电表和整个能量计系统的设计变得更为简单。
[0079] 从以上发明内容，结合隧道磁电阻器件(TMR)本身的特点，可以看出本发明所提供的电表传感器方案和电表传感器网络具有整体成本更低、工作稳定性高、测量系统与待测的供电网络电气隔离的特点。并且，采用TMR器件后，系统的灵敏度高，分辨率高，前端电路设计简单，并可以提供与后端的电能测量系统匹配的数据形式，便于与后续应用系统或电路接口。
附图说明
[0080] 图1是采用一对MTJ磁性传感器件分别测量负载的电流和负载两端电压的完全集成式电表传感器的示意图。
[0081] 图2是可用于控制输出信号幅值的传感器偏置电压响应曲线图。
[0082] 图3是采用片上电磁铁控制输出信号幅值的MTJ设备示意图。
[0083] 图4是采用MTJ传感器件测量负载电流、采用耦合电容分压器测量负载电压的完全集成式电表传感器的示意图。
[0084] 图5是未采用开槽铁磁环的测量流过外部导线电流的方法的示意图。
[0085] 图6是采用MTJ传感器件测量流过外部方形导线电流及磁场随离开外部方形导线距离而变化的理论曲线图。
[0086] 图7是采用MTJ传感器测量流过负载的电流、采用耦合电容放大器测量负载电压的电表传感器的示意图。
[0087] 图8反映一种组合多个电表传感器测量居民单相三线电或商用多相电网络电能消耗的方法。
具体实施方式
[0088] 以下结合附图对本发明所述电表传感器进行更进一步的阐述：
[0089] 实施例一：
[0090] 见图1所示的独立封装的电表传感器18，其中，直流或交流电源输入1，电表传感器18，以及负载2串联。电表传感器18安置在电源1与负载2之间，用于测量负载的能量消耗。一MTJ传感器12紧邻与负载2串联的内部导线3放置，用来测量流过导线3和负载2的电流所产生的磁场。
[0091] MTJ传感器12与导线3产生的磁场磁耦合。这样，通过测量流经导线3的电流，可以计算负载2的能量消耗。MTJ传感器12对流经导线3的电流所产生的磁场敏感。一旦感应到流过导线3的电流，MTJ传感器12就输出一个与电流大小成正比的电压，即负载的电流信号。MTJ传感器12的输出电压经多路复用器13输入到ADC模数转换器14，经转换后以数字化的数据输入到微处理器15，用于计算负载瞬时功率和能量消耗等电路参数。
[0092] 另一个输入到微处理器15的是由MTJ传感器11所提供的负载2两端的电压信号V。负载2两端的电压信号是通过测量流过与之并联的电压分流线圈4的电流所产生的磁场得到。负载2两端的电压除以分流线圈4的阻抗，所得到的就是通过分流线圈4的电流。因此电压分流线圈4所产生的磁场的磁通量正比于负载2两端的电压。因此MTJ传感器11与分流线圈4的磁场磁耦合，并输出一个正比于负载2两端电压的电压信号V。
[0093] MTJ传感器11和MTJ传感器12产生的分别代表负载2消耗的电流I和电压V的信号，可以有很多种方式输入到微处理器15。通常，在输入到微处理器15之前，首先要对MTJ传感器11和MTJ传感器12给出的负载2的电压V与电流信号I进行取样和通过模数转换器(ADC)14进行转换。在成本最低的电表传感器18的实施方案中，只采用一个模数转换器14，而MTJ传感器11和MTJ传感器12的输出信号通过一个多路复用器13进行分时复用后由同一个模数转换器14进行转换。
[0094] 根据采样定律，模数转换器14对MTJ传感器11和MTJ传感器12所输出的负载2的电流和电压信号的采样频率至少要高于电源1的频率的两倍。一般来讲，如图1中所示，模数转换器14对MTJ传感器11和MTJ传感器12的采样频率应该高于4倍的电源输入1的基本频率。在实际工作中，在没有同步采样时钟对MTJ传感器11和MTJ传感器12所输出的负载2的电压和电流信号进行采样的时序控制的情况下，模数转换器14对MTJ传感器11和MTJ传感器12的采样频率仅仅是电源1的频率的4倍是不够的。在没有同步时钟的情况下，一个比较可靠的近似最低频率应是电源1频率的16倍。因此，在采用绝对最小频率的情况下，如图18中配置多路复用器13的模数转换器14，它的采样频率必须要达到电源1的频率的32倍。对于一个高精度的电表传感器，为了达到相应的国家计量标准，所采用的模数转换器14的最低工作频率是1920Hz。
[0095] 为了适应对千瓦-时电表应用，电表传感器18应该具有计算多种电路参数的能力，包括但不限于方均根(RMS，Root Mean Square)电压、方均根电流、实时功率、无功功率、视在功率、功率系数、谐波失真、负载阻抗和容差，以及直流电路中的直流电压和直流电流等。这些量都可以很容易的从MTJ传感器11和MTJ传感器12所提供的电压和电流信号中计算出来。
[0096] 对于通过微处理器15进行所需参数的精确计算和测量，取决于是否能够对MTJ传感器11和MTJ传感器12的信号波形进行合适的缩放。缩放因子根据信号波形和传感器的工作特性确定。
[0097] 为了使电表传感器18的设计简化，同时提高其精度，可以对MTJ传感器11和MTJ传感器12的输出进行调整，使输出与模数转换器14的最佳输入范围相符。有两种控制MTJ传感器响应的方法可被应用，一种是如图2所示的，控制MTJ传感器的偏置电压；另一种是如图3所示，利用闭环工作的MTJ对导线3和分流线圈4的磁场进行补偿。
[0098] 图2展示了一种作为施加至MTJ传感器的偏压的函数的示例性灵敏度响应曲线。MTJ传感器在低偏置电压区，在固定的磁场值下输出电压线性正比于偏置电压。随着偏置电压的升高，响应曲线开始变得非线性。本发明中，在该设备能够计算出非线性校准系数已知的情况下，线性区和非线性区都是有效的。在响应曲线已知的情况下，为了最大化MTJ传感器的模数转换器14的信噪比，可改变MTJ传感器的的偏压。可以使用微处理器15来计算MTJ传感器的最佳偏置电压，然后这个电压可通过导线50和导线51反馈到MTJ传感器12和MTJ传感器11。微处理器15随后可以按以下方式来缩放MTJ传感器的信号波形：
[0099] V＝VMTJ×α×β
[0100] I＝VMTJ×a×b
[0101] 其中VMTJ是MTJ传感器的输出电压，α是磁场-电压输出常数、β是偏置电压常数，a是磁场-电流常数，b是偏置电流常数。
[0102] 图3展示了一种用于线性化磁场传感器的输出的示例性方法，其中向MTJ传感器提供一个与所测量磁场方向相反的磁场，通常将其称为闭环工作。在这种闭环方法中，集成电路芯片上的片上电磁铁81提供一个与所要测量的待测磁场(Hmeasured)84方向相反的反馈磁场(Hfeedback)85。在闭环模式下，通过改变电磁铁81的电流而使MTJ传感器的输出80保持不变。由于穿过电磁铁81的电流86正比于补偿磁场，而补偿磁场等于待测磁场84，因此，通过电磁铁81的电流86直接正比于待测磁场84。因此，在这种方法中，负载2的电流和输出电压可以经下式算出：
[0103] V＝IFeedback×αHI×βVH
[0104] I＝IFeedback×αHI×γCH
[0105] 其中V和1分别是负载2的电压和电流，Ifeedback是反馈电流，αHI是测量磁场(Hmeasured)-反馈电流(IFeedback)系数，βVH是输出电压(V)-测量磁场(Hmeasured)系数，γCH是电流(I)-测量磁场(Hmeasured)系数。
[0106] 当MTJ传感器用于电压和电流传感器时，微处理器15可以很容易的设计成提供合适的校准参数，同时控制偏置电压或反馈电流以使MTJ传感器的输出在模数转换器14的最佳响应区间范围内，而不用采用增益可变的前置放大器。
[0107] 电表传感器18旨在提供一个数字信号以将所测参数与外部系统通讯，这个外部系统可以包含一数据记录器、一微处理器，或是其它用于电能计量的系统。为了实现以上功能，微处理器15的处理后的输出的参数必须转换成一种可与离片电子元件兼容的格式。因此该电表传感器包括一接口逻辑16，其将所要输出的数据转换成多种可能形式中的一种，2
包括但不限于以下标准形式：USB、RS-232、IC或SPI。
[0108] 实施例二：
[0109] 实施例二与实施例一所述的电表传感器基本相同，区别在于：实施例一采用电压分流线圈测量负载电压，而实施例二采用电阻和耦合电容分压器来测量负载电压。
[0110] 实施例二中的独立封装的电表传感器可参照图4中的标号18所示。
[0111] 它采用电阻-耦合电容分压器40和缓冲放大器41来实现负载2电压的测量。这种设计可以降低电表传感器18的制造成本，同时允许在使用时由用户选择合适的外部电容40对电压波形进行滤波，从而消除供电线路中的干扰信号和噪声。图4中的这种布置最适合于交流能耗测量，因为在交流情况下，可以对带宽以外的电压信号进行滤除。在这种布置当中，耦合电容分压器40在电表传感器18的外部。这样就可以通过选择不同的电容来设置电压波形的截止频率。另外，一个电容-阻抗(RC)网络可以用来限制连接到微处理器15的电压波形中的上限频率和下限频率，从而可以代替需要外接的电容40。
[0112] 实施例三：
[0113] 如图5、图6所示，由于负载电流对导线最小几何尺寸的限制，将供电导线3置于电表传感器18封装内部通常是不现实的。在这种情况下，通常将电表传感器18安置在距离外部导线5最近的位置上。电表传感器18的第一磁性传感器17可与外部导线5产生的磁场磁耦合。磁耦合可以通过将外部导线穿过一个开口铁磁环20，并将电表传感器置于开口铁磁环20的开口槽中来达成。选择性地，可以将电表传感器紧靠于载流汇流排的一侧面放置。此布置示意性地图示于图6中。此处，电表传感器18放置在绝缘层105的正上方。绝缘层105可以将电表传感器18和电源导线5隔离开来。流过外部导线5的电流102随后产生一磁场103，磁场103由电表传感器18中的MTJ传感器12来检测。将电表传感器置于一个方形导线正上方的磁场分布的标准方程如下式所示：
[0114]
[0115] 其中，“W”是导线的宽度，“t”是导线的厚度，“x”是沿平行于导线上表面方向离导线中心的距离，“y”是在导线上方的高度。图5中的200给出了电流与汇流排上方的一位置处的磁场的示例性曲线。
[0116] 由于整个电表传感器18都置身于外部导线5的电流产生的磁场中，因此，必须将用于测量负载2电压的第二磁性传感器MTJ传感器11通过磁性屏蔽结构30屏蔽于导线5产生的磁场，如图5所示。
[0117] 实施例四
[0118] 实施例四与实施例三的电表传感器基本相同，区别在于：实施例三采用电压分流线圈测量负载电压，而实施例四采用电阻和耦合电容构成的分压网络来测量负载电压。
[0119] 图7展示了电表传感器18的一种替代性配置，其除了使用外部导线5以外还使用耦合电容分压器40和缓冲放大器41来执行电气隔离式负载电压测量。这种配置可以降低电表传感器18的制造成本，并允许用户在使用时根据需要对电压波形进行滤波来消除供电线路中的干扰信号和噪声。图7中的这种配置最适合于交流能耗测量，因为交流情况下，可以对带宽以外的电压信号进行滤除。而且，外部导线5的尺寸太大，通常不能安置在电表传感器18封装内。在这种配置中，耦合电容40在电表传感器18封装的外部。这样就可以通过选择不同的电容40来设置电压波形的截止频率。另外，一个限制连接到微处理器15的电压波形的上、下限截止频率的电容-阻抗(RC)网络可以取代外部电容40。
[0120] 图8展示了一种示例性的千瓦-时能耗计配置，其利用级联电表传感器来测量来自居民三相电源60的各支路的典型居民负载61消耗的电流和电压。电表传感器通过使用开口铁磁环或靠近汇流排的一边放置来与输电线路中的导线磁耦合，在这种千瓦-时电表传感器的应用中，电表传感器73和74的输出75各自提供了对一个供电系统的每一相电的能量消耗的测量。电表传感器18的数字输出75必须连接到电表里的其他电子元件以便计算负载2总的能量消耗。由于电表传感器18的输出可以转换成任意一种可能需要的形式，且数字输出75与供电电源60电气隔离，因而不需要对输出进行数字化处理和将模拟输出信号与供电网络隔离。这使得整个能量消耗测量系统设计更为简单，成本也得以降低。另外，电路参数的计算是在电表传感器18中完成的，因此使得后续的能量测量系统的算法和设计更为简单。
[0121] 以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，但本发明的保护内容不仅仅限定于以上实施例，在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在其技术要旨范围内，进行多种多样的变更。
