專利名稱：雙軸磁通門電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的技術(shù)方案涉及用于測量電流的裝置，具體地說是雙軸磁通門電流傳感
O
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高精度電流傳感器的應(yīng)用范圍更加廣泛。尤其是非接觸電流傳感器，在工業(yè)應(yīng)用上具有廣泛的開發(fā)前景。非接觸電流測量可以保證測量工作人員的人身安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。電流測量方法主要包括分壓電阻、電流互感器、霍爾電流傳感器、Rogowski線圈(羅氏線圈)、磁通門電流傳感器和磁阻抗效應(yīng)磁傳感器。其中霍爾電流傳感器和磁通門電流傳感器能夠檢測交流和直流?；魻栯娏鱾鞲衅髂軌驒z測幾千安培的電流，精度范圍在0.5%和2%之間，但是霍爾電流傳感器的檢測精度受溫度和外界磁場影響較大，這就限制了霍爾元件的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)有的磁通門傳感器主要應(yīng)用于弱磁場檢測，比如地磁場探測、鐵礦石探測、位移檢測和無損檢測。與霍爾傳感器相比，磁通門電流傳感器具有低溫漂和低漂移的優(yōu)點。國際上已經(jīng)報道了幾種磁通門電流傳感器的結(jié)構(gòu)，Davide Azzoni等通過應(yīng)用微控制器，測量磁通門電流傳感器中線圈電感的飽和時間間隔和負(fù)載電流，達(dá)到測量直流電流的目的。G Velasco-Quesada等利用反激拓?fù)浜透咝ч_關(guān)管轉(zhuǎn)換器制造了一種低功耗磁通門電流傳感器。這些磁通門電流傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高，存在較大的測量誤差。CN1310801公開了一種磁傳感器裝置和電流傳感器裝置。該裝置的缺點是(1)該裝置采用棒狀磁芯，單棒型磁通門傳感器的輸出信號中含有很大的與環(huán)境磁場信息無關(guān)的基波分量，這是傳感器信號處理電路需要除去的部分；( 該裝置應(yīng)用兩個有源元件，增加了額外的驅(qū)動電路，致使裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加；(3)該裝置采用開環(huán)傳感器，磁路中的磁損耗導(dǎo)致的響應(yīng)時間長及帶寬不足，與溫度相關(guān)的增益漂移相對較大，靈敏度較低。 CN201689125U披露了一種零磁通電流傳感器，包括外殼和蓋板。外殼內(nèi)設(shè)置有相互疊合的第一磁環(huán)和第二磁環(huán)，其缺點是(1)由于該裝置無外部電源，檢測出的信號必然微弱，造成檢測困難；( 該裝置外殼需用多種材料，成本較高，制作工藝較為復(fù)雜；C3)該裝置只能測量交流電流，功能單一，應(yīng)用范圍較窄。鑒于上述現(xiàn)有的磁通門電流傳感器所存在的技術(shù)上的缺點，最終導(dǎo)致現(xiàn)有的磁通門電流傳感器在實際測量中存在較大的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供雙軸磁通門電流傳感器，采用了反饋繞組組成的閉合回路，消除了現(xiàn)有的磁通門電流傳感器的測量誤差，并且產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡單、成本低和功能多。本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是雙軸磁通門電流傳感器，包含磁通門檢測探頭、零磁通電流互感器和信號處理電路，其中，磁通門檢測探頭由兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b、激勵繞組和感應(yīng)繞組構(gòu)成，兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b并列排放，激勵繞組為一根導(dǎo)線在內(nèi)環(huán)形磁芯a上纏繞100匝以后，再以相反的方向在內(nèi)環(huán)形磁芯b上纏繞100匝，感應(yīng)繞組將兩個并排放置的內(nèi)環(huán)形磁芯a和b纏繞在一起，纏繞70匝；零磁通電流互感器由一個外環(huán)形磁芯和二次側(cè)繞組構(gòu)成，二次側(cè)繞組單獨纏繞在外環(huán)形磁芯上，纏繞300匝，外環(huán)形磁芯尺寸比兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b略大，能將兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b完整地包圍住，套在兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b即雙軸磁通門磁芯的外面，另有一個反饋繞組將兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b 及外環(huán)形磁芯三個磁芯一并纏繞起來，纏繞50匝；信號處理電路分為激勵電路和檢測電路兩部分，激勵電路部分包括激勵信號發(fā)生電路、電壓比較器和功率放大電路，檢測電路部分包括RLC諧振電路、差分放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路、差分平滑濾波電路、壓控電流源和取樣電阻；激勵繞組一端與激勵電路中的功率放大電路連接而另一端接地，感應(yīng)繞組用自身存在的電感和電阻添加電容使之構(gòu)成檢測電路中的RLC諧振電路，二次側(cè)繞組一端連接壓控電流源而另一端接地，反饋繞組一端與壓控電流源連接而另一端連接取樣電阻的一端，激勵電路中的激勵信號發(fā)生電路連接電壓比較器，電壓比較器再連接功率放大電路，檢測電路中的RLC諧振電路連接差分放大電路，差分放大電路再連接帶通濾波電路， 帶通濾波電路再連接相敏檢波電路，相敏檢波電路再連接差分平滑濾波電路，差分平滑濾波電路再連接壓控電流源，取樣電阻的另一端接地，激勵電路中的激勵信號發(fā)生電路還與檢測電路中的相敏檢波電路連接。上述雙軸磁通門電流傳感器，所述內(nèi)環(huán)形磁芯a和b所用的材料為超微晶磁性材料，其飽和磁通密度為Bs = 1. 2T，矯頑力Hc < 3A/m,飽和磁致伸縮系數(shù)為s = 10_8 10_6， 磁導(dǎo)率為 15000 150000H/m，鐵芯損耗(ΙΟΟΚΗζ,Ο. 3Τ)PFe = 80W/Kg。上述雙軸磁通門電流傳感器，所述外環(huán)形磁芯所用的材料為鐵氧體，其飽和磁通密度 Bs = 510mT，矯頑力 Hc < 14A/m，磁導(dǎo)率為 2500 3500H/m，磁芯損耗(ΙΟΟΚΗζ,Ο. 2Τ) Pcv = 600KW/m3。上述雙軸磁通門電流傳感器，所述全部繞組所用的材質(zhì)均為漆包線，直徑為 0. 3mmο上述雙軸磁通門電流傳感器，所述激勵信號發(fā)生電路中采用芯片SN74HC4060，電壓比較器所用的芯片為LM339，功率放大電路所用芯片為兩個LF356，差分放大電路選用 AD623芯片，帶通濾波電路選用0P27A芯片，相敏檢波電路選用⑶4098芯片，差分平滑濾波電路選用LF353芯片，反饋電路包含的兩個芯片都為CA3080。本發(fā)明的有益效果是(1)原理磁通門基本工作原理參見圖1，是基于磁芯材料的非線性特征，磁芯材料選用高磁導(dǎo)率、低矯頑力、易飽和的軟磁材料，激勵繞組和感應(yīng)繞組均勻纏繞在環(huán)形磁芯上。頻率為f交流電流流經(jīng)激勵繞組，導(dǎo)致磁芯磁通交替變化，當(dāng)交流激勵安匝數(shù)足夠大時，磁芯呈現(xiàn)周期性飽和與不飽和狀態(tài)。當(dāng)被測原邊電流Ip > 0，二次繞組感應(yīng)出的電壓包含頻率為
和2nf的諧波分量，其中的偶次諧波包含原邊電流的信息，因此能通過特殊的電路結(jié)構(gòu)測量原邊電流。圖中，Is為激勵電流，Ws為激勵繞組，WA為感應(yīng)繞組，Ip為被測原邊電流，圓形為環(huán)形磁芯。原邊電流從環(huán)形磁芯內(nèi)穿過，產(chǎn)生的磁場被環(huán)形磁芯所聚集，然后進(jìn)行檢測。如果磁場的大小與檢測電路的輸出有良好的線性關(guān)系，便可依據(jù)檢測電路的輸出信號來反映導(dǎo)線中的電流大小。(2)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出的實質(zhì)性特點在于本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的探測部分為磁芯，穿過環(huán)形磁芯的導(dǎo)線通入電流以后產(chǎn)生磁場，被特定的感應(yīng)元件檢測出來并通過驅(qū)動磁滯回線的專用電子器件和由此產(chǎn)生的磁效應(yīng)來檢測電流，磁通門檢測探頭通過檢測出被測電流即初級電流產(chǎn)生的磁場，即檢測初級電流。環(huán)形磁芯材料選用了高磁導(dǎo)率、低矯頑力和易飽和的軟磁材料；激勵繞組和感應(yīng)繞組均勻纏繞在環(huán)形磁芯上，頻率為f交流電流流經(jīng)激勵繞組，導(dǎo)致環(huán)形磁芯磁通交替變化，當(dāng)交流激勵安匝數(shù)足夠大時，環(huán)形磁芯呈現(xiàn)周期性飽和與不飽和狀態(tài)；當(dāng)原邊電流Ip > 0時，感應(yīng)繞組感應(yīng)出的電壓包含頻率為On-Df和2nf的諧波分量，其中偶次諧波的包含原邊電流的信息，因此能通過特殊的電路結(jié)構(gòu)測量原邊電流。磁通門電流傳感器具有低溫漂和低漂移的優(yōu)點。由于磁通門電流傳感器的磁芯工作在周期性的飽和與非飽和狀態(tài)，所以磁場偏移得到有效抑制，同時保證了磁通門電流傳感器較高的測量精度。本發(fā)明的雙軸磁通門電流傳感器，由于反饋繞組組成的閉合回路，消除了傳統(tǒng)磁通門電流傳感器的測量誤差。在高頻范圍內(nèi)，二次側(cè)繞組與被測電流產(chǎn)生變壓器效應(yīng)，在二次側(cè)繞組上感應(yīng)出感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與被測電流有一個線性關(guān)系，通過測量感應(yīng)電流變可得到被測電流的大小和頻率。在低頻范圍內(nèi)(包括直流)，通過雙軸磁通門原理，測得被測電流所產(chǎn)生的磁場的二次諧波，提取二次諧波之后，諧波與被測電流大小有一個線性關(guān)系，通過實驗分析就可得到被測電流的大小。為了具有士3%。的超低非線性誤差和非常低的溫漂和零漂，本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器采用了閉環(huán)系統(tǒng)，將電路的模擬信號輸出端反饋到雙軸磁通門電流傳感器中的反饋線圈繞組，反饋電流產(chǎn)生反饋磁場，抵消了被測外界磁場，使得雙軸磁通門電流傳感器內(nèi)部的磁芯工作在零磁場附近，這樣就構(gòu)成了磁通門信號處理電路的閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)中磁芯中的非激勵外磁場保持在零附近，這就是閉環(huán)系統(tǒng)中的零場工作狀態(tài)。零場相對于開環(huán)磁芯中的非激勵外磁場要小很多，這對外界被測磁場的影響就減小了，有利于線性度的提高，并有效抑制了溫漂和零漂現(xiàn)象。另外，本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器信號處理電路中的RLC諧振電路、差分放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路、差分平滑濾波電路和反饋電路所起的作用是磁通門磁芯在飽和深度發(fā)生變化時，其輸出信號的高次諧波分量的穩(wěn)定度比二次諧波要差很多， 很難應(yīng)用。所以本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器設(shè)計為磁通門驅(qū)動電路采用了二次諧波法提取磁通門輸出信號，即選擇提取磁通門信號中的二次諧波分量，將其他諧波分量都濾掉。激勵方波信號經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動磁通門檢測探頭，被測電流所產(chǎn)生的磁場信息H0經(jīng)過磁通門檢測探頭轉(zhuǎn)換為感應(yīng)信號，經(jīng)過RLC諧振電路，會放大感應(yīng)信號二次諧波分量，其他諧波分量會遭到抑制。差分放大電路可得到諧振后的感應(yīng)線圈兩端信號輸出的差模信號。經(jīng)過帶通濾波電路濾除二次諧波分量以外的其他諧波分量。相敏整流電路使選頻放大后的交流電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娦盘?，并能表征被測磁信號的極性。差分平滑濾波電路將相敏整流后的脈動信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流信號。直流信號電壓值大小便能反映被測磁場的大小，進(jìn)而反映出被測電流的大小。
(3)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器具有僅為士3%。超低的非線性誤差，非常低的溫漂和零漂，并且在檢測直流或交流時的輸入信號噪聲得到有效抑制。本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的雙軸磁通門磁芯采用超微晶材料，其具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高矩形比、磁芯損耗低和高溫穩(wěn)定性好的優(yōu)點，并且飽和磁感應(yīng)強度較高，耐磨性和耐蝕性都強。本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器將雙軸磁通門磁芯和零磁通電流互感器磁芯結(jié)合在一起，既能測量直流電流和低頻交流電流，還能測量高頻交流電流。本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器中的零磁通電流互感器是用外環(huán)形磁芯即電流互感器磁芯包圍兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b即雙軸磁通門磁芯a和b，起到對外磁場屏蔽的作用， 有效抑制了外界電磁干擾對電流傳感器測量工作的影響，從而明顯地提高了測量結(jié)果的精度。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的簡化原理圖。圖2是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的磁通門檢測探頭結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。圖3是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的信號處理電路的信號流程圖。圖4是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的信號處理電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的激勵信號發(fā)生電路示意圖。圖6是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的電壓比較器和功率放大電路示意圖。圖7是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的RLC諧振電路示意圖。圖8是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的差分放大電路示意圖。圖9是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的帶通濾波電路示意圖。圖10是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的相敏檢波電路示意圖。圖11是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的差分平滑濾波電路示意圖。圖12是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的壓控電流源示意圖。圖13是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的取樣電阻上電壓與被測電流的關(guān)系圖。圖14是本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的相對誤差曲線圖。圖中，1.內(nèi)環(huán)形磁芯a，2.內(nèi)環(huán)形磁芯b，3.外環(huán)形磁芯，4.感應(yīng)繞組Wsl,2，5. 二次側(cè)繞組Ws3，6.反饋繞組Wfl,2,3，7.激勵繞組Wel,2，8.激勵信號發(fā)生電路，9.電壓比較器， 10.功率放大電路，11. RLC諧振電路，12.差分放大電路，13.帶通濾波電路，14.相敏檢波電路，15.差分平滑濾波電路，16.壓控電流源，17.取樣電阻，
具體實施例方式圖2所示實施例表明，本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的磁通門檢測探頭由內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2、激勵繞組W61,27和感應(yīng)繞組Wsl,24構(gòu)成，內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2并列排放，激勵繞組W61,27為一根導(dǎo)線在內(nèi)環(huán)形磁芯al上纏繞100匝以后形成激勵繞組Wel,27的Wel部分，再以相反的方向在內(nèi)環(huán)形磁芯1^2上纏繞100匝形成激勵繞組Wel,27的W62部分，感應(yīng)繞組131,24將兩個并排放置的內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2纏繞在一起， 纏繞70匝，其中在內(nèi)環(huán)形磁芯al上的感應(yīng)繞組Wsl,24部分稱為Wsl，內(nèi)環(huán)形磁芯1^2上的感應(yīng)繞組Wsl,24部分稱為Ws2 ；本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的零磁通電流互感器由一個外環(huán)形磁芯3和二次側(cè)繞組Ws3 5構(gòu)成，二次側(cè)繞組Ws3 5單獨纏繞在外環(huán)形磁芯3上，纏繞300 匝，外環(huán)形磁芯3尺寸比內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2略大，能將內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2完整地包圍住，套在兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b即雙軸磁通門磁芯的外面，另有一個反饋繞組Wfl,2,36將內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯Μ及外環(huán)形磁芯3三個磁芯一并纏繞起來，纏繞50匝，其中反饋繞組Wfl,2,36纏繞在內(nèi)環(huán)形磁芯al上的部分稱為Wfl，反饋繞組Wfl, 2,36纏繞在內(nèi)環(huán)形磁芯1^2上的部分稱為Wf2，反饋繞組Wfl,2,36纏繞在外環(huán)形磁芯3上的部分稱為^。圖3所示實施例表明，本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的信號處理電路的信號流程是由激勵信號發(fā)生電路8產(chǎn)生的激勵方波信號，經(jīng)過功率放大電路10之后，使磁芯達(dá)到周期性的過飽和狀態(tài)，輸入到磁通門檢測探頭上的激勵繞組Wel,27中，產(chǎn)生檢測磁場。原邊被測電流產(chǎn)生的磁場被此時的磁通門檢測探頭檢測到之后，在磁通門檢測探頭感應(yīng)線圈上會產(chǎn)生能夠反應(yīng)待測磁場大小的偶次諧波分量。諧波分量進(jìn)入RLC諧振電路11之后，放大所需頻率信號，抑制信號其他諧波分量。之后信號輸入到差分放大電路12，抑制共模信號。由于磁通門探頭噪聲具有奇次諧波特性，而且其最大諧波分量即基波和三次諧波恰好在信號二次諧波分量兩側(cè)，因此為了抑制噪聲，信號進(jìn)入帶通濾波電路13。信號從帶通濾波電路 13輸出之后進(jìn)入相敏檢波電路14，相敏檢波是在以同頻率同相位的信號為基準(zhǔn)的條件下， 將周期性交變信號進(jìn)行全波整流，之后經(jīng)過差分平滑濾波15，來確定信號的幅度大小。相敏檢波電路14的另一個作用是能徹底消除奇次諧波的影響。經(jīng)過差分平滑濾波15之后，得到感應(yīng)電壓信號，由壓控電流源16來控制反饋電流，使反饋電流產(chǎn)生的磁通與被測電流產(chǎn)生的磁通相抵消，達(dá)到零磁通狀態(tài)。最后，通過測量取樣電阻17上的電壓，來測量反饋繞組中的電流，進(jìn)而反映被測電流的大小。圖4所示實施例表明，本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的信號處理電路分為激勵電路和檢測電路兩部分。激勵電路部分包括激勵信號發(fā)生電路8、電壓比較器9和功率放大電路10，檢測電路部分包括RLC諧振電路11、差分放大電路12、帶通濾波電路13、相敏檢波電路14、差分平滑濾波電路15、壓控電流源16和取樣電阻17 ；激勵繞組Wel,27即圖中的Wel和 We2的一端與激勵電路中的功率放大電路10連接而另一端接地，感應(yīng)繞組Wsl,24即圖中的Wsl 和Ws2，感應(yīng)繞組Wsl,24自身存在的電感和電阻與添加的電容構(gòu)成檢測電路中的RLC諧振電路11，二次側(cè)繞組Ws3 5 一端連接壓控電流源16而另一端接地，反饋繞組Wfl,2,36即圖中的串為一組的Wfl、Wf2和Wf3的一端與壓控電流源16連接，另一端連接取樣電阻17的一端，激勵電路中的激勵信號發(fā)生電路8連接電壓比較器9，電壓比較器9再連接功率放大電路10， 檢測電路中的RLC諧振電路11連接差分放大電路12，差分放大電路12再連接帶通濾波電路13，帶通濾波電路13再連接相敏檢波電路14，相敏檢波電路14再連接差分平滑濾波電路15，差分平滑濾波電路15再連接壓控電流源16，取樣電阻17的另一端接地。激勵信號發(fā)生電路8的芯片SN74HC4060的兩個引腳分別引出頻率為和2f\的信號，頻率為&的信號作為激勵輸入到電壓比較器9中，頻率為2f\的信號輸入到相敏檢波電路14中，作為相敏檢波的基準(zhǔn)信號。從激勵信號發(fā)生電路8中輸出的信號是從零到某一正值的方波，實際需要的信號為有正有負(fù)的方波激勵，通過圖4中電壓比較器9以后，將得到有正有負(fù)的方波信號。由于從芯片SN74HC4060引腳出來的方波信號功率較小，輸入到激勵線圈后產(chǎn)生的磁場不會使磁芯達(dá)到周期性的過飽和狀態(tài)，也就達(dá)不到磁通門激勵信號電路的要求，所以要將信號輸入到功率放大電路10中，經(jīng)過功率放大后，輸入到激勵繞組Wel, 27中，產(chǎn)生檢測磁場。檢測磁場與被測電流所產(chǎn)生的磁場信號進(jìn)入檢測電路部分。激勵信號發(fā)生電路8 輸出的方波信號，用此信號對本雙軸磁通門電流傳感器進(jìn)行激勵。根據(jù)磁通門原理，在雙軸磁通門電流傳感器應(yīng)線圈上會產(chǎn)生能夠反應(yīng)待測磁場大小的偶次諧波分量。檢測電路的目的就是把所需的信號檢測出來。感應(yīng)繞組Wsl,24即圖中的Wsl和Ws2自身存在電阻R和電感L，添加電容C使感應(yīng)繞組Ws1,24回路形成RLC諧振電路11，信號通過RLC諧振電路11之后，放大所需頻率信號，抑制信號其他諧波分量，之后信號輸入到差分放大電路12，抑制共模信號。由于磁通門檢測探頭噪聲具有奇次諧波特性，而且其最大諧波分量即基波和三次諧波恰好在信號二次諧波分量兩側(cè)，所以要應(yīng)用帶通濾波電路13。帶通濾波電路13之后為相敏檢波電路14，相敏檢波是在以同頻率同相位的信號為基準(zhǔn)的條件下，將周期性交變信號進(jìn)行全波整流，再經(jīng)過差分平滑濾波電路15來確定信號的幅度大小。相敏檢波電路14的另一個作用是能徹底消除奇次諧波的影響。經(jīng)過相敏檢波電路14之后，得到感應(yīng)電壓信號，由壓控電流源16來控制反饋電流，使反饋電流產(chǎn)生的磁通與被測電流產(chǎn)生的磁通相抵消，達(dá)到零磁通狀態(tài)。最后， 通過測量取樣電阻17上的電壓，來測量反饋繞組中的電流，進(jìn)而反映被測電流的大小。在圖4中，Ip為被測原邊電流，If為反饋電流，二倍頻基波信號2f\是相敏檢波電路的基準(zhǔn)信號頻率，為磁通門檢測探頭激勵信號頻率的2倍。在圖中的Φρ為被測電流產(chǎn)生的磁通，Φθ為激勵信號所產(chǎn)生的磁通，Rm為取樣電阻17。圖5所示實施例表明本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的激勵信號發(fā)生電路8的構(gòu)成，該電路中分別對8Μ的晶振進(jìn)行池和4k分頻，產(chǎn)生頻率為IkHz以及2kHz的方波，選用的SN74HC4060的芯片其外接晶振最高可以達(dá)到20M，能夠充分滿足發(fā)明要求。圖6所示實施例表明本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的電壓比較器9和功率放大電路10的構(gòu)成，電壓比較器9和功率放大電路10包括三個芯片，電壓比較器9所用的芯片為 LM339，功率放大電路10所用芯片為兩個LF356，其他元件如圖所示，圖中Ll為激勵繞組Wel, 27。圖7所示實施例表明本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的RLC諧振電路11的構(gòu)成，由于磁通門檢測探頭噪聲比信號強大得多，所以要盡可能提高前置放大器輸入端的信噪比， 以使前置放大器能夠承受噪聲并保持信號放大的準(zhǔn)確性?？紤]到磁通門檢測探頭輸出阻抗以電感為主，因此使之構(gòu)成一個RLC諧振電路11。感應(yīng)繞組131,24即圖中的L(t)的電感為 257. ImH,電阻R為感應(yīng)繞組Wsl,24本身電阻，電阻值為150. 6Ω，電容C的值為24. 6nF。e(t) 為感應(yīng)繞組Wsl,24感應(yīng)出的電動勢，V(t)為理想情況下感應(yīng)電動勢e(t)中的二次諧波電動勢。利用RLC諧振電路11的選頻特性，在次級線圈輸出端并聯(lián)一個諧振電容使二次諧波的信噪比得到有效增強。圖8所示實施例表明本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的差分放大電路12的構(gòu)成，差分放大電路12能有效的抑制共模信號，其中選用AD623芯片。為了有效抑制檢測電流時的輸入信號噪聲，本發(fā)明設(shè)計了一個高性能的對稱差分放大電路12，進(jìn)一步抑制了噪聲。經(jīng)過差分放大電路12后的磁通門信號，二次諧波信號和噪聲都得到放大。中心頻率為2fl帶通濾波器可將噪聲濾掉，得到有用的二次諧波信號。圖9所示實施例表明本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的帶通濾波電路13的構(gòu)成，磁通門檢測探頭噪聲具有奇次諧波特性，而且其最大諧波分量-基波和三次諧波恰好在信號二次諧波分量兩側(cè)，所以要應(yīng)用帶通濾波電路13，其中選用0P27A芯片。帶通濾波電路13 提取并放大了二次諧波信號，有效地除去了信號噪聲。圖10所示實施例表明本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的相敏檢波電路14的構(gòu)成， 相敏檢波是在以同頻率同相位的信號為基準(zhǔn)的條件下，將周期性交變信號進(jìn)行全波整流， 再經(jīng)過平滑濾波來確定信號的幅度大小。相敏檢波電路的另一個作用是能徹底消除奇次諧波的影響。本相敏檢波電路14的另一個作用是能徹底消除奇次諧波的影響。該電路中所選芯片⑶4098BE為雙可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，HCF4053為三2通道模擬開關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外接RC阻容網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行脈沖延時和脈沖寬度的調(diào)整。利用⑶4098BE的一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外接阻容網(wǎng)絡(luò)去調(diào)整基準(zhǔn)信號的脈沖寬度，即調(diào)節(jié)本圖中R401電阻值的大小，調(diào)整的脈沖寬度等于需移相的角度；然后用該脈沖的下降沿去觸發(fā)CD4098的另一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 調(diào)整與該單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外接的RC阻容網(wǎng)絡(luò)，即調(diào)節(jié)本圖中R402電阻值的大小，使其輸出脈沖與相敏檢波輸入信號的頻率和相位保持一致，則CD4098中引腳10輸出的方波信號與相敏檢波輸入信號頻率和相位均一致。圖11所示實施例表明本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的差分平滑濾波電路15的構(gòu)成，該電路為外接RC阻容網(wǎng)絡(luò)的運算放大器，有差分平滑濾波的功能。兩信號分別接入運算放大器的同相端和反相端，輸出直流模擬信號，改變磁通門探頭軸向分量的磁場強度，發(fā)現(xiàn)輸出的直流信號會隨著磁場強度的變化而變化，其中選用LF353芯片。圖12所示實施例表明，壓控電流源16包含兩個芯片，都為CA3080。為了提高測量電流的范圍和精度，必須設(shè)計本壓控電流源16，使其反饋電流產(chǎn)生的磁通與被測電流產(chǎn)生的磁通抵消，使其達(dá)到零磁通狀態(tài)，本電路中實施例1按上述圖2所示實施例裝置成雙軸磁通門電流傳感器的磁通門檢測探頭和零磁通電流互感器，其中磁通門檢測探頭的構(gòu)成是，內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯Μ并列排放， 激勵繞組匙,27為一根導(dǎo)線在內(nèi)環(huán)形磁芯al上纏繞100匝以后形成激勵繞組W61,27的Wel部分，再以相反的方向在內(nèi)環(huán)形磁芯上纏繞100匝形成激勵繞組Wel,27的We2部分，感應(yīng)繞組Wsl,24將兩個并排放置的內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2纏繞在一起，纏繞70匝，其中在內(nèi)環(huán)形磁芯al上的感應(yīng)繞組Wsl,24部分稱為Wsl，內(nèi)環(huán)形磁芯M上的感應(yīng)繞組Wsl,24部分稱為Ws2 ；零磁通電流互感器由一個外環(huán)形磁芯3和二次側(cè)繞組Ws3 5構(gòu)成，二次側(cè)繞組Ws3 5 單獨纏繞在外環(huán)形磁芯3上，纏繞300匝，外環(huán)形磁芯3尺寸比內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯 b2略大，能將內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2完整地包圍住，套在兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b即雙軸磁通門磁芯的外面，另有一個反饋繞組Wfl,2,36將內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯1^2及外環(huán)形磁芯3三個磁芯一并纏繞起來，纏繞50匝，其中反饋繞組Wfl,2,36纏繞在內(nèi)環(huán)形磁芯al 上的部分稱為Wfl，反饋繞組Wfl,2,36纏繞在內(nèi)環(huán)形磁芯M上的部分稱為Wf2，反饋繞組Wfl,2， 36纏繞在外環(huán)形磁芯3上的部分稱為Wf3。內(nèi)環(huán)形磁芯al和1^2所用的材料為超微晶磁性材料，其飽和磁通密度為Bs = 1. 2T，矯頑力Hc < 3A/m,飽和磁致伸縮系數(shù)為s = 10_8 10_6， 磁導(dǎo)率為15000 150000H/m，鐵芯損耗(100KHz，0. 3T)PFe = 80ff/Kg ；外環(huán)形磁芯3所用的材料為鐵氧體，其飽和磁通密度Bs = 510mT,矯頑力H。< 14A/m,磁導(dǎo)率為2500 3500H/m， 磁芯損耗(IOOKHz，0. 2T)PCV = 600Kff/m3 ；全部繞組所用的材質(zhì)均為漆包線，直徑為0. 3mm。 雙軸磁通門電流傳感器的信號處理電路采用上述圖5所示實施例表明的激勵信號發(fā)生電路8、圖6所示實施例表明的電壓比較器9和功率放大電路10、圖7所示實施例表明的RLC 諧振電路11、圖8所示實施例表明的差分放大電路12、圖10所示實施例表明的相敏檢波電路14、圖11所示實施例表明的差分平滑濾波電路15和圖12所示實施例表明的壓控電流源 16。按上述圖4所示實施例，連接上述的磁通門檢測探頭、零磁通電流互感器和所有信號處理電路，激勵繞組Wel,27連接在激勵電路當(dāng)中，感應(yīng)繞組Wsl,24連接在檢測電路當(dāng)中，二次側(cè)繞組Ws3 5—端連接壓控電流源，另一端接地，反饋繞組Wfl,2,36—端與壓控電流源16連接， 另一端連接10歐姆的取樣電阻17。由此裝置成雙軸磁通門電流傳感器。將上述裝置成的雙軸磁通門電流傳感器進(jìn)行直流電流的測量實驗，被測電流從-30A 30A，測量取樣電阻17上的電壓。將得到的數(shù)據(jù)輸入商業(yè)軟件matlab進(jìn)行最小二乘曲線擬合，得到圖13所示雙軸磁通門電流傳感器的取樣電阻上的電壓與被測電流的關(guān)系。該曲線的擬合方程為Uout = 99. 5Ip+15，此式表示被測電流與電流傳感器輸出電壓之間的數(shù)量關(guān)系，可以得到，此電流傳感器的線性度為99. 5，零漂為15mA，輸出電壓限制在士 3V。用輸出電壓的理論值減去實際值，再除以實際值便可得到此電流傳感器測量范圍為-30A 30A時的相對誤差，如圖14本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器的相對誤差曲線圖所示可見，在-30A到30A的量程內(nèi)，相對誤差限制在士 3%。內(nèi)。實施例2除激勵繞組Wel,27為一根導(dǎo)線在內(nèi)環(huán)形磁芯al上纏繞100匝以后形成激勵繞組 Wel,27的W61部分，再以相反的方向在內(nèi)環(huán)形磁芯1^2上纏繞100匝形成激勵繞SW61,27的W62 部分，感應(yīng)繞組Wsl,24將兩個并排放置的內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯Μ纏繞在一起，纏繞 70匝，其中在內(nèi)環(huán)形磁芯al上的感應(yīng)繞組Wsl,24部分稱為Wsl，內(nèi)環(huán)形磁芯1^2上的感應(yīng)繞組 Wsl,24部分稱為Ws2之外，其他同實施例1。將上述裝置成的雙軸磁通門電流傳感器進(jìn)行低頻交流電流的測量實驗，測量方法和過程同實施例1，被測電流從-30A 30A，測量取樣電阻17上的電壓。實施例3除激勵繞組Wel,27為一根導(dǎo)線在內(nèi)環(huán)形磁芯al上纏繞100匝以后形成激勵繞組 Wel,27的W61部分，再以相反的方向在內(nèi)環(huán)形磁芯1^2上纏繞100匝形成激勵繞SW61,27的W62 部分，感應(yīng)繞組Wsl,24將兩個并排放置的內(nèi)環(huán)形磁芯al和內(nèi)環(huán)形磁芯Μ纏繞在一起，纏繞 70匝，其中在內(nèi)環(huán)形磁芯al上的感應(yīng)繞組Wsl,24部分稱為Wsl，內(nèi)環(huán)形磁芯1^2上的感應(yīng)繞組 Wsl,24部分稱為Ws2之外，其他同實施例1。將上述裝置成的雙軸磁通門電流傳感器進(jìn)行高頻交流電流的測量實驗，測量方法和過程同實施例1，被測電流頻率最高可達(dá)20KHz，測量取樣電阻17上的電壓。上述實施例中使用的原材料和零部件均通過商購?fù)緩将@得，所有的電路圖也是現(xiàn)有的公知技術(shù)，雙軸磁通門電流傳感器的組裝方法，測量方法和過程是本技術(shù)領(lǐng)域的所容易掌握的。
權(quán)利要求
1.雙軸磁通門電流傳感器，其特征在于雙軸磁通門電流傳感器，包含磁通門檢測探頭、零磁通電流互感器和信號處理電路，其中，磁通門檢測探頭由兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b、激勵繞組和感應(yīng)繞組構(gòu)成，兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b并列排放，激勵繞組為一根導(dǎo)線在內(nèi)環(huán)形磁芯a上纏繞100匝以后，再以相反的方向在內(nèi)環(huán)形磁芯b上纏繞100匝，感應(yīng)繞組將兩個并排放置的內(nèi)環(huán)形磁芯a和b纏繞在一起，纏繞70匝；零磁通電流互感器由一個外環(huán)形磁芯和二次側(cè)繞組構(gòu)成，二次側(cè)繞組單獨纏繞在外環(huán)形磁芯上，纏繞300匝，外環(huán)形磁芯尺寸比兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b略大，能將兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b完整地包圍住，套在兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b即雙軸磁通門磁芯的外面，另有一個反饋繞組將兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b及外環(huán)形磁芯三個磁芯一并纏繞起來，纏繞50匝；信號處理電路分為激勵電路和檢測電路兩部分，激勵電路部分包括激勵信號發(fā)生電路、電壓比較器和功率放大電路，檢測電路部分包括 RLC諧振電路、差分放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路、差分平滑濾波電路、壓控電流源和取樣電阻；激勵繞組一端與激勵電路中的功率放大電路連接而另一端接地，感應(yīng)繞組用自身存在的電感和電阻添加電容使之構(gòu)成檢測電路中的RLC諧振電路，二次側(cè)繞組一端連接壓控電流源而另一端接地，反饋繞組一端與壓控電流源連接而另一端連接取樣電阻的一端，激勵電路中的激勵信號發(fā)生電路連接電壓比較器，電壓比較器再連接功率放大電路， 檢測電路中的RLC諧振電路連接差分放大電路，差分放大電路再連接帶通濾波電路，帶通濾波電路再連接相敏檢波電路，相敏檢波電路再連接差分平滑濾波電路，差分平滑濾波電路再連接壓控電流源，取樣電阻的另一端接地，激勵電路中的激勵信號發(fā)生電路還與檢測電路中的相敏檢波電路連接。
2.權(quán)利要求1所述雙軸磁通門電流傳感器，其特征在于所述內(nèi)環(huán)形磁芯a和b所用的材料為超微晶磁性材料，其飽和磁通密度為Bs=L 2T，矯頑力Hc<3A/m，飽和磁致伸縮系數(shù)為 S=KT8 1(Γ6，磁導(dǎo)率為 15000 150000H/m，鐵芯損耗(IOOKHz，0· 3T) P&=80W/Kg。
3.權(quán)利要求1所述雙軸磁通門電流傳感器，其特征在于所述外環(huán)形磁芯所用的材料為鐵氧體，其飽和磁通密度Bs=510mT，矯頑力H。<14A/m，磁導(dǎo)率為2500 3500 H/m,磁芯損耗(100ΚΗζ，0· 2Τ) Pcv=600KW/m3。
4.權(quán)利要求1所述雙軸磁通門電流傳感器，其特征在于所述全部繞組所用的材質(zhì)均為漆包線，直徑為0. 3mm。
5.權(quán)利要求1所述雙軸磁通門電流傳感器，其特征在于所述激勵信號發(fā)生電路中采用芯片SN74HC4060，電壓比較器所用的芯片為LM339，功率放大電路所用芯片為兩個 LF356，差分放大電路選用AD623芯片，帶通濾波電路選用0P27A芯片，相敏檢波電路選用 ⑶4098芯片，差分平滑濾波電路選用LF353芯片，反饋電路包含的兩個芯片都為CA3080。
全文摘要
本發(fā)明雙軸磁通門電流傳感器，涉及用于測量電流的裝置，包含磁通門檢測探頭、零磁通電流互感器和信號處理電路，其中，磁通門檢測探頭由兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b、激勵繞組和感應(yīng)繞組構(gòu)成，零磁通電流互感器由一個外環(huán)形磁芯和二次側(cè)繞組構(gòu)成，另有一個反饋繞組將兩個內(nèi)環(huán)形磁芯a和b及外環(huán)形磁芯三個磁芯一并纏繞起來；信號處理電路分為激勵電路和檢測電路兩部分，激勵電路部分包括激勵信號發(fā)生電路、電壓比較器和功率放大電路，檢測電路部分包括RLC諧振電路、差分放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路、差分平滑濾波電路、反饋電路、壓控電流源和取樣電阻。本發(fā)明采用了反饋繞組組成的閉合回路，消除了現(xiàn)有的磁通門電流傳感器的測量誤差。
文檔編號G01R15/00GK102401853SQ201110384850
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者劉航, 張波, 楊曉光, 汪友華, 謝存福 申請人:河北工業(yè)大學(xué)