[发明专利]一种用于倾斜多导体系统的电流测量系统及方法

权利要求书

1.一种用于倾斜多导体系统的电流测量系统，其特征在于：该系统包括电流传感器，数据采集卡和上位机，上述电流传感器包括磁场检测组件、差分放大器，且均集成在圆环形PCB板上；

所述电流传感器呈圆环形结构，多根导体由中空圆孔穿过，导体电流在空间产生的磁场由磁场检测组件测量得到；

所述磁场检测组件包括5个隧穿磁阻效应TMR三维磁场传感器，呈均匀的圆周分布；以电流传感器的中心作为坐标原点，建立三维的笛卡尔坐标系；TMR三维磁场传感器x,y,z轴方向的测量分量分别朝向上述笛卡尔坐标系的三个坐标方向；

所述TMR三维磁场传感器的输出信号为差动输出模式，为抑制共模干扰，后续信号处理电路将传感器输出信号差分放大转化为单端信号后，再以差分方式输出，保证信号都已差分方式传输，从而提升电路的噪声抑制能力；

所述差分放大器包括2个运算放大器，分别记为放大器1和放大器2，磁场传感器的输出信号为差分模式，放大器1以差分方式接收上述输出信号，并以一定增益放大，从而将双端信号转化为单端信号输出，随后，放大器2与放大器1的输出构成差分的输出结构，进而将上述单端信号再转化为双端信号，即差分信号输出；

所述数据采集卡为32路单端或16路差分模拟输入，采样率为100kS/s，采用16路差分模拟输入模式，需2块上述数据采集卡同步采样6个三维TMR磁场传感器的18路差分信号，并将信号显示在上位机系统；

所述上位机系统与数据采集卡进行数据传输，后续利用所采集的磁场数据进行逆问题计算来求解流经各相导体的电流，同时将数据可视化；

测量时，多导体穿过所述中空圆孔；

校准过程包括以下步骤：

步骤S1：根据无限长导体在空间产生的磁场与电流的关系，当单根导体与磁场传感器阵列倾斜时，建立流经导体的电流与空间磁场的数学模型；

步骤S2:由步骤S1所得结果，利用叠加原理，得到多根倾斜导体与空间磁场的数学模型；

步骤S3:由所述磁场检测组件测量空间6个点的三维磁场分量；

步骤S4:利用步骤S3所测磁场值，并结合步骤S2的逆问题模型，采用进化算法逆推各导体的坐标位置，倾斜角和流经导体的电流；

步骤S5:由步骤S4得到的导体坐标位置和倾斜角计算系数矩阵[M]，最终完成电流传感器的校准过程；

步骤S6:电流传感器投入实际应用时，将所测磁场值构成的列向量乘以由步骤S5得到的系数矩阵[M]的伪逆，从而得到待测电流值；

所述步骤S1中，计算公式为：

式中，B_s,B_sx,B_sy,B_sz分别为空间某一点处的合成磁场，x,y,z方向的磁场分量；(x_s,y_s)为各个三维磁场传感器的坐标位置，(x_c,y_c)为导体与磁场传感器阵列所在平面的交点坐标，I为流经导体的电流，m＝sin(α)cos(β),n＝sin(α)sin(β),p＝cos(α)，α，β分别为倾斜导体与z轴方向的夹角，倾斜导体在xoy平面的投影与x轴方向的夹角；

所述步骤S2中，计算公式为：

由于每个磁场传感器测量得到的是x,y,z轴三个方向的磁场，因此分别对三个方向的磁场进行叠加，从而得到公式(2)所示的三种形式的以X为变量的方程；公式(2)中，α_i，β_i(i＝1,2,3)为三相导体的倾斜角，x_ci,y_ci(i＝1,2,3)为三相导体的坐标位置，I_i(i＝1,2,3)为流经三相导体的电流；F_i(X),G_i(X),H_i(X)的表达式如公式(3)；式(3)中的f(i,j)表达式由式(4)表示；与倾斜角相关的参数如式(5)所示；

f(i,j)＝p_j²(y_si-y_cj)²+p_j²(x_si-x_cj)²+[m_j(y_si-y_cj)-n_j(x_si-x_cj)]² (4)

在所述步骤S1和S2中，得到空间磁场与倾斜多导体电流的数学模型；由公式(2)，含有的未知变量数为15，分别为导体倾斜角α_i，β_i，导体的坐标位置x_ci，y_ci以及各相导体的电流I_i(i＝1,2,3)；采用6个三维磁场传感器，测量得到18个x,y,z轴方向的磁场分量，由叠加定理确定18个方程；采用进化算法进行多目标寻优时，非线性问题所满足的约束条件为

|I₁|,|I₂|,|I₃|＜MAX_current (6)

上式中，MAX_current,MAX_radius分别为导体允许流过的电流，导体所在限制区域的最大半径；

涉及的目标函数为

上式中，B_ix,B_iy,B_iz为磁场测量值，为由式(2)计算所得磁场值，要求所计算的电流不能超过允许值，因此添加了一个惩罚项，并将惩罚因子设置为1000；进化算法的目的就是通过群体的进化迭代得到最优个体，使得式(6)的值尽量小。

2.根据权利要求1所述的一种用于倾斜多导体系统的电流测量系统 ，其特征在于：所述步骤S4中，确定几何参数α₁,β₁,x_c1,y_c1,α₂,β₂,x_c2,y_c2,α₃,β₃,x_c3,y_c3后，公式(2)写成矩阵形式，即

上式中，[I]为待求的导体电流，[B]为磁场传感器的测量值，[M]为系数矩阵；

电流由下式计算

[I]_3×1＝pseudo([M]_18×3)[B]_18×1

上式中，[B]_18×1为磁场测得的磁通密度，[I]_3×1为流经导体的电流，[M]_18×3为系数矩阵。