專利名稱：陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線圈，適于電流脈沖的測量，尤其是受干擾影響較大的陡脈沖小電流信號的測量，特別涉及一種陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈。
背景技術(shù)：
用羅哥夫斯基(以下簡稱Rogowski)線圈對電流進行測量的實驗和理論研究始于1912年，其后許多人在理論分析、結(jié)構(gòu)改進、材料選取、制作工藝等方面不斷豐富，發(fā)展了這一測量技術(shù)，特別是在大電流陡脈沖測量中其技術(shù)指標(biāo)已達到上升時間小于1ns；但在測量陡脈沖小電流領(lǐng)域Rogowski線圈的頻帶遠不能滿足實際要求。帶磁芯的Rogowski線圈由于磁芯的應(yīng)用，使其低頻截止頻率大大降低，頻帶進一步拓寬，靈敏度相應(yīng)提高，應(yīng)用Rogowski線圈不加放大器檢測到真實的電流信號成為可能，但小電流信號的檢測受到外界環(huán)境的干擾十分嚴(yán)重，加之電流信號極其微弱，傳統(tǒng)Rogowski線圈所檢測到的小電流信號或多或少都存在干擾信號，使得測量誤差增大，波形畸變。差分式Rogowski線圈對于干擾信號具有非常完美的免疫力，能把各種干擾的影響降到最低，從而精確的再現(xiàn)被測電流波形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種陡脈沖小電流測量用差分式Rogowski線圈，該線圈在檢測高頻信號電流時能降低外界的干擾，避免干擾信號迭加到待測電流信號上造成的波形畸變，并拓寬頻帶和提高靈敏度。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括一鐵氧體環(huán)型磁芯，在一鐵氧體環(huán)型磁芯上用羅哥夫斯基線圈繞線方式繞制相同匝數(shù)的兩部分線圈，兩部分線圈的繞線和回線分別按照差分方式耦合到一無感電阻上。
所述的兩線圈的信號輸出按照差分方式耦合到無感電阻是指一線圈的繞線逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯上，另一線圈的繞線順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯上，兩部分線圈的繞線共接于無感電阻的一端，回線共接于無感電阻的另一端。
所述的兩部分線圈的信號輸出按照差分的方式耦合到無感電阻是指兩部分線圈的繞線同時順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯上，或同時逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯上，一線圈的繞線與另一線圈的回線共接于無感電阻的一端，一線圈的回線與另一線圈的繞線共接于無感電阻的另一端。
所述的鐵氧體環(huán)型磁芯根據(jù)測量電流的頻率范圍選用對應(yīng)范圍的磁性材料，其截面為正方形。
兩部分線圈均勻繞在鐵氧體環(huán)型磁芯上。
對于測量電流信號幅值為μA級到mA級的陡脈沖小電流信號，每部分線圈繞線匝數(shù)為5～25匝，無感電阻為50Ω～1000Ω，靈敏度為0.5V/A～2.5V/A，最大帶寬為230kHz～120MHz，最小帶寬為3.8MHz～14MHz。
對于測量電流信號幅值為μA級到mA級的陡脈沖小電流信號，信號輸出電阻為無感電阻的全部值或部分值，取為50Ω或75Ω。
無感電阻(9)采用金屬膜電阻或釉膜電阻，可直接接在線圈出線的兩端，或者是鼠籠式匹配電阻接在屏蔽盒外，再接信號電纜。
在理論分析的基礎(chǔ)上，確定了無感電阻的取值范圍；通過實驗得到了最佳的無感電阻，繞線匝數(shù)和磁芯形狀參數(shù)，并通過校驗脈沖和實際電流的測量證明了該差分式Rogowski線圈能精確的再現(xiàn)被測電流信號的真實波形。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于1.采用差分方式繞制的Rogowski線圈能有效的抑制外界干擾，具有更高的信噪比從而在測量陡脈沖小電流信號時提供更好的性能。
2.差分式Rogowski線圈經(jīng)過精心設(shè)計大大拓展了帶寬(230kHz～120MHz)，尤其在測量小信號時提高了靈敏度(最高可達2.5V/A)，不用放大器就可以檢測到陡脈沖小電流信號，避免了放大器帶來的各種噪聲干擾引起波形失真，且對電網(wǎng)的諧波不敏感。
3.差分式Rogowski線圈經(jīng)過測試具有穩(wěn)定性好、線性度好、角差小和抗電磁干擾能力強的優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維護方便。


圖1為本發(fā)明一種陡脈沖小電流測量用差分式Rogowski線圈的整體外觀結(jié)構(gòu)及使用方法示意圖。
圖2為本發(fā)明的一種差分式繞線結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的另一種差分式繞線結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明一種陡脈沖小電流測量用差分式Rogowski線圈的幅頻響應(yīng)特性和最小二乘法擬合所得線性度最優(yōu)曲線圖。
圖5為本發(fā)明一種陡脈沖小電流測量用差分式Rogowski線圈的角差圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1所示，使被測電流導(dǎo)體2居于差分式Rogowski線圈的中心位置以降低由于導(dǎo)體的位置和傾斜度引起的測量誤差，屏蔽盒3可防止外界干擾信號，BNC電纜頭4連接屏蔽盒3和信號電纜1，信號電纜1末端接匹配電阻5匹配后，可直接接在示波器上讀取電流波形，也可接信號調(diào)理電路(放大器、濾波器)，經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絇C機，利用相關(guān)軟件把波形重現(xiàn)。
參照圖2所示，線圈6的繞線11逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯8上，線圈7的繞線13順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯8上，兩部分線圈6、7的繞線11、13共接于無感電阻9的一端，回線10、12共接于無感電阻9的另一端；或線圈6的繞線11順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯8上，線圈7的繞線13逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯8上，兩部分線圈6、7的繞線11、13共接于無感電阻9的一端，回線10、12共接于無感電阻9的另一端。當(dāng)導(dǎo)體中有電流通過時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，在鐵氧體環(huán)型磁芯8上的兩部分繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場，從而在無感電阻9上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，此感應(yīng)電動勢正比于被測電流，這樣，只要準(zhǔn)確測量信號輸出電阻上的感應(yīng)電動勢就可得出成比例的被測電流波形。
參照圖3所示，兩部分線圈6、7的繞線11、13同時逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯8上，線圈6的繞線11與線圈7的回線12共接于無感電阻9的一端，線圈6的回線10與線圈7的繞線13共接于無感電阻9的另一端；或兩部分線圈6、7的繞線11、13同時順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯8上，線圈6的繞線11與線圈7的回線12共接于無感電阻9的一端，線圈6的回線10與線圈7的繞線13共接于無感電阻9的另一端。當(dāng)導(dǎo)體中有電流通過時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，在鐵氧體環(huán)型磁芯8上的兩部分繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場，從而在無感電阻9上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，此感應(yīng)電動勢正比于被測電流，這樣，只要準(zhǔn)確測量信號輸出電阻上的感應(yīng)電動勢就可得出成比例的被測電流波形。
參照圖4所示，兩條曲線分別為差分式Rogowski線圈的幅頻響應(yīng)特性和應(yīng)用最小二乘法計算所得最優(yōu)線性度曲線，最大頻帶為230kHz～120MHz，覆蓋中頻、高頻，并包括低頻和甚高頻的一部分，大大拓寬了Rogowski線圈的頻帶，且在此頻帶內(nèi)其線性度良好，為2.52％，橫坐標(biāo)為頻率，單位為MHz；縱坐標(biāo)為增益，單位為dB。
參照圖5所示，圖中曲線為差分式Rogowski線圈的角差，角差隨頻率增加由正變負，在接近頻率上限處有震蕩，但均保持在較小的范圍內(nèi)，對陡脈沖小電流的測量并無影響，橫坐標(biāo)為頻率，單位為MHz；縱坐標(biāo)為角差，單位為度。
權(quán)利要求
1.一種陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，包括一鐵氧體環(huán)型磁芯(8)，其特征在于在一鐵氧體環(huán)型磁芯(8)上用羅哥夫斯基線圈繞線方式繞制相同匝數(shù)的兩部分線圈(6、7)，線圈(6、7)的繞線(11、13)和回線(10、12)按照差分方式耦合到一無感電阻(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，其特征在于所述的兩線圈(6、7)的信號輸出按照差分方式耦合到無感電阻(9)上是指線圈(6)的繞線(11)逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯(8)上，線圈(7)的繞線(13)順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯(8)上，兩部分線圈(6、7)的繞線(11、13)共接于無感電阻(9)的一端，回線(10、12)共接于無感電阻(9)的另一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，其特征在于所述的兩部分線圈(6、7)的信號輸出按照差分的方式耦合到無感電阻(9)是指兩部分線圈(6、7)的繞線(11、13)同時順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯(8)上，或同時逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯(8)上，線圈(6)的繞線(11)與線圈(7)的回線(12)共接于無感電阻(9)的一端，線圈(6)的回線(10)與線圈(7)的繞線(13)共接于無感電阻(9)的另一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，其特征在于所述的鐵氧體環(huán)型磁芯(8)根據(jù)測量電流的頻率范圍選用對應(yīng)范圍的磁性材料，其截面為正方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，其特征在于兩部分線圈(6、7)均勻繞在鐵氧體環(huán)型磁芯(8)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，其特征在于對于測量電流信號幅值為μA級到mA級的陡脈沖小電流信號，每部分線圈(6、7)繞線(11、13)匝數(shù)為5～25匝，無感電阻(9)為50Ω～1000Ω，靈敏度為0.5V/A～2.5V/A，最大帶寬為230kHz～120MHz，最小帶寬為3.8MHz～14MHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，其特征在于對于測量電流信號幅值為μA級到mA級的陡脈沖小電流信號，信號輸出電阻為無感電阻(9)的全部值或部分值，取為50Ω或75Ω。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，其特征在于無感電阻(9)采用金屬膜電阻或釉膜電阻，可直接接在線圈出線的兩端，或者是鼠籠式匹配電阻接在屏蔽盒(3)外，再接信號電纜(1)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陡脈沖小電流測量用差分式羅哥夫斯基線圈，在一鐵氧體環(huán)型磁芯上用羅哥夫斯基線圈繞線方式繞制相同匝數(shù)的兩部分線圈，兩部分線圈的繞線和回線分別按照差分方式耦合到一無感電阻上。所述的兩線圈的信號輸出按照差分方式耦合到無感電阻是指一線圈的繞線逆時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯上，另一線圈的繞線順時針方向纏繞在鐵氧體環(huán)型磁芯上，兩部分線圈的繞線共接于無感電阻的一端，回線共接于無感電阻的另一端。本發(fā)明具有更高的信噪比因而提供更好的性能，并使其具有穩(wěn)定性好、線性度好、角差小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強；結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維護方便的優(yōu)點。
文檔編號G01R19/04GK1731194SQ20051004307
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者朱俊棟, 張喬根, 楊蘭均 申請人:西安交通大學(xué)