本发明提供的一种基于TMR的母排电流及磁场强度测量装置，包括TMR芯片阵列、信号处理电路、微控制器以及显示器；所述TMR芯片阵列设置于被测母排所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控制器的显示输出端与显示器的输入端连接，通过上述结构，能够实现对配电网中的母排电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。
1.一种基于TMR的母排电流测量装置，其特征在于：包括TMR芯片阵列、信号处理电路、微控制器以及显示器；
所述TMR芯片阵列设置于被测母排所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控制器的显示输出端与显示器的输入端连接；
所述TMR芯片阵列包括4个TMR芯片：TMR芯片Ⅰ、TMR芯片Ⅱ、TMR芯片Ⅲ以及TMR芯片Ⅳ，4个TMR芯片处于同一平面内且呈矩形阵列布置，4个TMR芯片分别位于矩形的4个顶点；
所述被测母排到TMR芯片Ⅰ的连线与被测母排到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度；被测母排到TMR芯片Ⅱ的连线与被测母排到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度；
TMR芯片阵列测量被测母排周围磁场并输出电压信号，电压信号经信号处理电路输入微控制器中处理，得到被测母排电流值并在显示器单元上显示；
所述电流测量装置根据如下方法测量电流：以母排一个表面的几何中心为原点构建三维直角坐标系，其中，以母排电流方向为Z轴，垂直于母排选定表面的方向为Y轴，平行于母排选定表面的方向为X轴；
由TMR芯片阵列测量在三维直角坐标系中X轴方向的磁场强度分量Bx；
构建X轴磁场分量与被测母排的电流关系模型：其中，Bx为X轴方向的磁场分量，母排的长度为2a，L为母排的宽度，I为待测的母排电流，d为芯片距离母排最近表面的垂直距离，b为母排厚度，(x1,y1,z1)表示TMR芯片在三维直角坐标系中的坐标，y1＝d，μ0为真空磁导率；y为一个自变量；
将TMR芯片测得的X轴方向的磁场分量代入到X轴方向磁场分量和母排电流的关系模型中解出电流I即为母排电流；
所述电流测量装置根据如下方法确定被测母排的磁场：构建Y轴方向磁场分量与电流的关系模型：其中，By为Y轴方向的磁场分量；
将X轴方向磁场分量与电流关系模型所解得的电流值代入Y轴方向磁场分量与电流的关系模型中得到Y轴方向的磁场分量，然后由勾股定理解得TMR芯片处的磁场B。
2.根据权利要求1所述基于TMR的母排电流测量装置，其特征在于：所述信号处理电路包括差分信号转换电路以及偏置处理电路；
所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内。
3.根据权利要求1所述基于TMR的母排电流测量装置，其特征在于：还包括供电单元，所述供电单元包括蓄电池以及电压转换电路，所述蓄电池的输出端与电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路将蓄电池输出的直流电分别转换成12V、1V以及3.3V直流电，12V直流电向差分信号转换电路和偏置处理电路供电，1V直流电向TMR芯片供电，3.3V直流电向微控制器供电。
4.根据权利要求1所述基于TMR的母排电流测量装置，其特征在于：还包括用于安装信号处理电路、微控制器以及显示器的壳体，所述壳体采用高导磁材料制成，所述TMR芯片阵列通过安装支架固定设置于壳体外。
基于TMR的母排电流及磁场强度测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电流测量装置，尤其涉及一种基于TMR的母排电流及磁场强度测量装置。
背景技术
[0002] 随着智能电网建设的不断推进，电网对于各种能够实现检测与控制电气设备产生了极大的需求，而实现智能电网实时监测和控制的前提条件便是要有先进的传感和测量技
术作为支撑。
[0003] 现有技术中，母排作为电力系统中较为常见的载流导体，现有母排电流测量技术多为非接触式测量。交流电流测量多为使用互感器，直流电流测量多为使用霍尔传感器或
基于安培环路定理的磁传感器阵列，以上主流母排电流测量设备的加装以及检修均需要断
开相应母排的开关，降低了电力系统运行的可靠性。同时，不需要断开母排供电的磁传感芯
片测量方式由于母排的电流及其磁场未有合适有效的数学模型，使得该方式未能在实际工
程中得到充分的运用。
[0004] 与此同时，由于母排的结构参数较普通导线更为复杂，工程中对于母排空间磁场磁感应强度的计算多为有限元仿真，测量多为磁传感技术，未有合适有效的数学模型将母
排磁场计算以及测量结合于一体，增加了母排工程设计与现场验证的复杂性。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于TMR的母排电流及磁场强度测量装置，能够实现对配电网中的母排电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐
患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导
电网的安全、稳定运行。
[0006] 本发明提供的一种基于TMR的母排电流及磁场强度测量装置，包括TMR芯片阵列、信号处理电路、微控制器以及显示器；
[0007] 所述TMR芯片阵列设置于被测母排所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微控
制器的显示输出端与显示器的输入端连接。
[0008] 进一步，所述TMR芯片阵列包括4个TMR芯片：TMR芯片Ⅰ、TMR芯片Ⅱ、TMR芯片Ⅲ以及TMR芯片Ⅳ，4个TMR芯片处于同一平面内且呈矩形阵列布置，4个TMR芯片分别位于矩形的4
个顶点。
[0009] 进一步，所述被测母排到TMR芯片Ⅰ的连线与被测母排到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度；被测母排到TMR芯片Ⅱ的连线与被测母排到矩形阵列的对角线
交叉点的连线之间的夹角为45度。
[0010] 进一步，所述电流测量装置根据如下方法测量电流：
[0011] 以母排一个表面的几何中心为原点构建三维直角坐标系，其中，以母排电流方向为Z轴，垂直于母排选定表面的方向为Y轴，平行于母排选定表面的方向为X轴；
[0012] 由TMR芯片阵列测量在三维直角坐标系中X轴方向的磁场强度分量Bx；
[0013] 构建X轴磁场分量与被测母排的电流关系模型：
[0014]其中，Bx为X轴方向的磁场分量，母排的长度为2a，L为母排的宽度，I为待测的母排
电流，d为芯片距离母排最近表面的垂直距离，b为母排厚度，(x1,y1,z1)表示TMR芯片在三维
直角坐标系中的坐标，y1＝d，μ0为真空磁导率；
[0015] 将TMR芯片测得的X轴方向的磁场分量代入到X轴方向磁场分量和母排电流的关系模型中解出电流I即为母排电流。
[0016] 进一步，所述电流测量装置根据如下方法确定被测母排的磁场：
[0017] 构建Y轴方向磁场分量与电流的关系模型：
[0018]其中，By为Y轴方向的磁场分量；
[0019] 将X轴方向磁场分量与电流关系模型所解得的电流值代入Y轴方向磁场分量与电流的关系模型中得到Y轴方向的磁场分量，然后由勾股定理解得TMR芯片处的磁场B；在上述
公式中，y为一个自变量。
[0020] 进一步，所述信号处理电路包括差分信号转换电路以及偏置处理电路；
[0021] 所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
[0022] 所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内。
[0023] 进一步，还包括供电单元，所述供电单元包括蓄电池以及电压转换电路，所述蓄电池的输出端与电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路将蓄电池输出的直流电分别
转换成12V、1V以及3.3V直流电，12V直流电向差分信号转换电路和偏置处理电路供电，1V直
流电向TMR芯片供电，3.3V直流电向微控制器供电。
[0024] 进一步，还包括用于安装信号处理电路、微控制器以及显示器的壳体，所述壳体采用高导磁材料制成，所述TMR芯片阵列通过安装支架固定设置于壳体外。
[0025] 本发明的有益效果：通过本发明，能够实现对配电网中的母排电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，
确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。
附图说明
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0027] 图1为本发明的电气结构示意图。
[0028] 图2为本发明的阵列结构示意图。
[0029] 图3为本发明测量时磁场示意图。
[0030] 图4为本发明的壳体结构示意图。
[0031] 图5为本发明的薄母排坐标系示意图。
[0032] 图6为本发明的母排微元磁场示意图。
[0033] 图7为本发明的薄母排计算示意图。
[0034] 图8为本发明的厚母排坐标系示意图。
具体实施方式
[0035] 以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明，如图所示：
[0036] 本发明提供的一种基于TMR的母排电流及磁场强度测量装置，包括TMR芯片阵列7、信号处理电路、微控制器以及显示器8；
[0037] 所述TMR芯片阵列设置于被测母排6所处空间内，所述TMR芯片阵列的输出端与信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与微控制器的输入端连接，所述微
控制器的显示输出端与显示器的输入端连接，通过上述结构，能够实现对配电网中的母排
电流进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量
过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数准确指导电网的安全、稳定运行。
[0038] 本实施例中，所述TMR芯片阵列包括4个TMR芯片：TMR芯片Ⅰ1、TMR芯片Ⅱ2、TMR芯片Ⅲ3以及TMR芯片Ⅳ4，4个TMR芯片处于同一平面内且呈矩形阵列布置，4个TMR芯片分别位于
矩形的4个顶点。
[0039] 其中，所述被测母排到TMR芯片Ⅰ的连线与被测母排到矩形阵列的对角线交叉点的连线之间的夹角为45度；被测母排到TMR芯片Ⅱ的连线与被测母排到矩形阵列的对角线交
叉点的连线之间的夹角为45度。安装装置时精确标定TMR芯片阵列7与被测母排6的相对位
置距离，之后再根据芯片输出特性，得出阵列中各芯片输出电压与被测母排6中电流大小的
关系。再结合信号处理电路中的电压信号增益与处理，编写相应的微控制器程序算法，在程
序算法中基于TMR芯片阵列7结构编写去除外部磁场干扰的程序，并使用FFT算法进行程序
去噪处理。之后在装置正确安装后，TMR芯片阵列7测量被测母排6周围磁场，输出电压信号，
电压信号经信号处理电路输入微控制器，最终处理得到精确的被测母排电流值并在显示器
单元8上显示。
[0040] 本实施例中，如图2所示：所述电流测量装置根据如下方法测量电流：上述的阵列中，分为两组，TMR芯片Ⅰ1、TMR芯片Ⅱ2为一组，TMR芯片Ⅲ3以及TMR芯片Ⅳ4为一组，分别进
行磁场的计算；
[0041] 所述电流测量装置根据如下方法测量电流：
[0042] 以母排一个表面的几何中心为原点构建三维直角坐标系，其中，以母排电流方向为Z轴，垂直于母排选定表面的方向为Y轴，平行于母排选定表面的方向为X轴；
[0043] 由TMR芯片阵列测量在三维直角坐标系中X轴方向的磁场强度分量Bx；
[0044] 构建X轴磁场分量与被测母排的电流关系模型：
[0045]其中，Bx为X轴方向的磁场分量，母排的长度为2a，L为母排的宽度，I为待测的母排
电流，d为芯片距离母排最近表面的垂直距离，b为母排厚度，(x1,y1,z1)表示TMR芯片在三维
直角坐标系中的坐标，y1＝d，μ0为真空磁导率；
[0046] 将TMR芯片测得的X轴方向的磁场分量代入到X轴方向磁场分量和母排电流的关系模型中解出电流I即为母排电流。
[0047] 所述电流测量装置根据如下方法确定被测母排的磁场：
[0048] 构建Y轴方向磁场分量与电流的关系模型：
[0049]其中，By为Y轴方向的磁场分量；
[0050] 将X轴方向磁场分量与电流关系模型所解得的电流值代入Y轴方向磁场分量与电流的关系模型中得到Y轴方向的磁场分量，然后由勾股定理解得TMR芯片处的磁场B；在上述
公式中，y为一个自变量。
[0051] 本实施例中，所述信号处理电路包括差分信号转换电路以及偏置处理电路；
[0052] 所述差分信号转换电路，其输入端与TMR芯片的输出端连接，用于将TMR芯片输出的差分信号转换为单端信号并输出；
[0053] 所述偏置处理电路，其输入端与差分信号转换电路的输出端连接，用于将单端信号转换为正电压信号并输入至微控制器内，由于TMR芯片阵列为四个，因此，信号处理电路
也为四个。
[0054] 本实施例中，还包括供电单元，所述供电单元包括蓄电池以及电压转换电路，所述蓄电池的输出端与电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路将蓄电池输出的直流电
分别转换成12V、1V以及3.3V直流电，12V直流电向差分信号转换电路和偏置处理电路供电，
1V直流电向TMR芯片供电，3.3V直流电向微控制器供电。
[0055] 本实施例中，还包括用于安装信号处理电路、微控制器以及显示器的壳体，所述壳体采用高导磁材料制成，所述TMR芯片阵列通过安装支架固定设置于壳体外。
[0056] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技
术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本
发明的权利要求范围当中。
