一種單磁芯復(fù)雜波形電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單磁芯復(fù)雜波形電流傳感器，包括電流探頭、信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和反饋控制電路；所述電流探頭具有激勵(lì)電流流入端、低頻激勵(lì)電流流出端和高頻激勵(lì)電流流出端；所述信號(hào)處理電路包括低通濾波器、高通濾波器、第一采樣電阻和第二采樣電阻；所述反饋控制電路包括單限電壓比較器、雙限電壓比較器、或門電路、D觸發(fā)器、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和H橋逆變電路。本傳感器應(yīng)用信號(hào)處理電路以及反饋控制電路，能夠有效地測(cè)量高頻復(fù)雜電流波形。信號(hào)處理電路的作用為將高低頻電流分開，從而應(yīng)用不同原理對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，再通過反饋控制電路實(shí)現(xiàn)高低頻電流的同時(shí)測(cè)量，有效地改善了電流探頭的磁芯的磁飽和情況，提高了高頻電流分量測(cè)量的準(zhǔn)確度。
【專利說明】
-種單磁巧復(fù)雜波形電流傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用于測(cè)量電流的裝置，具體是一種單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力電子技術(shù)與其實(shí)際應(yīng)用需求相互促進(jìn)，已得到迅猛發(fā)展。智能電網(wǎng)、可再生能 源、電動(dòng)車等新興市場(chǎng)進(jìn)一步促進(jìn)了電力電子技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代電力電子技術(shù)W高頻化為 發(fā)展方向，具有諸多優(yōu)勢(shì);但隨之而來的問題之一是電流檢測(cè)難度的增加。高頻大功率電力 電子設(shè)備中往往存在復(fù)雜的電流波形，包含直流、低頻交流和高達(dá)幾十千赫茲W上的高頻 成分；同時(shí)高頻電力電子裝置往往運(yùn)行于高溫環(huán)境中。高溫環(huán)境中對(duì)復(fù)雜電流波形的精確 檢測(cè)成為電流檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)問題。
[0003] 傳統(tǒng)的電流檢測(cè)裝置包括分流器、電流互感器、羅氏線圈和霍爾電流傳感器;現(xiàn)有 的新型電流檢測(cè)裝置包括磁通口電流傳感器、巨磁阻效應(yīng)電流傳感器和光纖傳感器?；魻?電流傳感器由于其原理簡(jiǎn)單和控制方便，目前在工程應(yīng)用上最為廣泛，但是霍爾電流傳感 器存在對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度低，并且具有溫漂和零漂比較大的缺陷。磁通口電流傳感器則具有 獨(dú)特的磁感應(yīng)能力、對(duì)施加磁場(chǎng)高靈敏度、高精度和小型化的特點(diǎn)，相比之下，磁通口電流 傳感器也就有了突出的研發(fā)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)《Batteir Monitoring Current Sensors: 化e Fluxgate Concept》介紹了通過應(yīng)用微控制器，測(cè)量磁通口電流傳感器中線圈電感的 飽和時(shí)間間隔和負(fù)載電流，達(dá)到測(cè)量直流電流的目的。此方法測(cè)量電流的量程較大，但帶寬 較小，僅適合低頻和直流電流測(cè)量，不能解決中高頻電流的測(cè)量。文獻(xiàn)《Design of a Low- Consumption Fluxgate Transducer for High-Current Measurement Applications》報(bào) 道利用積分反饋拓?fù)浜透咝ч_關(guān)管轉(zhuǎn)換器研發(fā)了一種低功耗磁通口電流傳感器，該傳感器 引入第=個(gè)磁環(huán)用W拓寬傳感器測(cè)量頻帶。然而該傳感器的不足之處在于：由于第=個(gè)環(huán) 的引入，增加了電流傳感器的體積，提高了成本;環(huán)形磁忍纏繞次級(jí)繞組，反饋繞組，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。文獻(xiàn)《High-Bandwi化h High-Temperature(250°C/500F)Isolated DC and AC Qirrent Me曰SUrement = Bidirectionally Saturated Current Tr曰nsformer》提出了一種基于磁通 口原理的測(cè)量方法即雙向飽和式磁通口原理，運(yùn)一測(cè)量方法可W實(shí)現(xiàn)中低頻電流的高溫環(huán) 境下的精確測(cè)量，但是復(fù)雜電流波形測(cè)量用運(yùn)一方法很難實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種單磁忍復(fù)雜波形電 流傳感器。本傳感器應(yīng)用信號(hào)處理電路W及反饋控制電路，能夠有效地測(cè)量高頻復(fù)雜電流 波形，被測(cè)電流波形可W包含直流、低頻和高頻交流電流。信號(hào)處理電路的作用為將高低頻 電流分開，從而應(yīng)用不同原理對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，再通過反饋控制電路實(shí)現(xiàn)高低頻電流的同時(shí) 測(cè)量即對(duì)復(fù)雜電流波形的測(cè)量，有效地改善了電流探頭的磁忍的磁飽和情況，提高了高頻 電流分量測(cè)量的準(zhǔn)確度。
[0005] 本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，一種單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器，其特 征在于該傳感器的構(gòu)成包括電流探頭、信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和反饋控制電路;所述 電流探頭具有激勵(lì)電流流入端、低頻激勵(lì)電流流出端和高頻激勵(lì)電流流出端;所述信號(hào)處 理電路包括低通濾波器、高通濾波器、第一采樣電阻和第二采樣電阻;所述反饋控制電路包 括單限電壓比較器、雙限電壓比較器、或口電路、D觸發(fā)器、MOSFE巧E動(dòng)電路和H橋逆變電路；
[0006] 上述構(gòu)成部分的連接方式是:所述電流探頭的低頻激勵(lì)電流流出端與低通濾波器 相連，高頻激勵(lì)電流流出端與高通濾波器相連，激勵(lì)電流流入端與H橋逆變電路連接;所述 第一采樣電阻的一端接地，另一端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器、單限電壓比較器和雙限電 壓比較器分別連接;所述第二采樣電阻的一端接地，另一端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、高通濾波器、 單限電壓比較器和雙限電壓比較器分別連接;所述低通濾波器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單限電壓 比較器和雙限電壓比較器連接;所述高通濾波器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單限電壓比較器和雙限 電壓比較器連接;所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單限電壓比較器和雙限電壓比較器分別連接;所述 或口電路與單限電壓比較器、雙限電壓比較器和D觸發(fā)器分別連接;所述D觸發(fā)器與MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路連接;所述MOSFE巧E動(dòng)電路與H橋逆變電路連接。
[0007] 上述一種單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器，所述低通濾波器為四階己特沃斯有源低通 濾波器;所述高通濾波器為四階己特沃斯有源高通濾波器;所述單限電壓比較器的型號(hào)為 LM360N;所述雙限電壓比較器的型號(hào)為L(zhǎng)M339;所述D觸發(fā)器的型號(hào)為74LS74。
[000引上述一種單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器，所述MOSFET驅(qū)動(dòng)電路與H橋逆變電路的電 路構(gòu)成是:第一 IRS2103的引腳2和引腳3與D觸發(fā)器相連;第一 IRS2103的引腳巧P引腳4通過 去禪電容C3連接供電電源;第一 IRS2103的引腳6和引腳8之間連接電容Cl;第一 IRS2103的 引腳8通過二極管Dl連接供電電源;第一 IRS2103的引腳5通過電阻R2連接第一 SI4946的引 腳4;第一IRS2103的引腳7通過電阻Rl連接第一SI4946的引腳2;第一SI4946的引腳1和引腳 5相連;第一 SI4946的引腳8通過電容巧和供電電源相連;第一 SI4946的引腳6作為輸出端和 電流探頭相連；第一 SI4946的引腳3與第二SI4946的引腳村目連，再通過電阻Rs接地;第二 IRS2103的引腳2和引腳3與D觸發(fā)器15相連;第二IRS2103的引腳1和引腳4通過電容C4連接 供電電源;第二IRS2103的引腳6和引腳8之間連接電容C2;第二IRS2103的引腳8通過二極管 D2連接到供電電源上;第二IRS2103的引腳5通過限流電阻R4連接第二SI4946的引腳4;第二 IRS2103的引腳7通過電阻R3連接第二SI4946的引腳2;第二SI4946的引腳1和引腳5相連;第 二SI4946的引腳8通過電容C6和供電電源相連;第二SI4946的引腳6作為輸出端和電流探頭 1相連。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：
[0010] 1、本傳感器應(yīng)用信號(hào)處理電路W及反饋控制電路，能夠有效地測(cè)量高頻復(fù)雜電流 波形，被測(cè)電流波形可W包含直流、低頻和高頻交流電流。信號(hào)處理電路的作用為將高低頻 電流分開，從而應(yīng)用不同原理對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，再通過反饋控制電路實(shí)現(xiàn)高低頻電流的同時(shí) 測(cè)量即對(duì)復(fù)雜電流波形的測(cè)量，有效地改善了電流探頭的磁忍的磁飽和情況，提高了高頻 電流分量測(cè)量的準(zhǔn)確度。
[0011] 2、該傳感器具有很好的一致性和溫度穩(wěn)定性。傳感器基于雙向飽和式磁通口原 理，因而具有很好的溫度穩(wěn)定性。對(duì)同一被測(cè)電流多次重復(fù)試驗(yàn)，在全溫度范圍內(nèi)被測(cè)電流 的測(cè)量值相對(duì)誤差小;在全量程下，傳感器在不同溫度下電流的相對(duì)誤差均較小。
[0012] 3、該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，為了拓寬其測(cè)量范圍及頻率，在不改變?cè)瓬y(cè)量電路與測(cè)量 探頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用時(shí)間比例型磁通口原理并結(jié)合電流互感器原理實(shí)現(xiàn)低頻小電流和 高頻電流測(cè)量，大大縮小了傳感器的體積，適應(yīng)了當(dāng)前傳感器小型化發(fā)展的需求。
[0013] 4、本發(fā)明采用雙向飽和式磁通口原理、時(shí)間比例型磁通口原理和電流互感器原理 二種基本原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，二種測(cè)量方法相互配合，實(shí)現(xiàn)寬頻帶、大范圍、局精 度、強(qiáng)溫度穩(wěn)定性的復(fù)雜電流測(cè)量。為了獲得大的測(cè)量帶寬，應(yīng)用電流互感器原理實(shí)現(xiàn)高頻 交流電的測(cè)量，由于磁性材料的磁飽和效應(yīng)常常使互感器原理的磁測(cè)量產(chǎn)生誤差，反饋效 應(yīng)改善電流互感器磁忍的飽和問題。本發(fā)明在電流互感器原理處加入了高通濾波器，用W 選取高頻交流電。當(dāng)被選擇的高頻交流電流過磁忍時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)流過第二采樣電 阻，通過計(jì)算設(shè)置闊值電壓用W控制磁忍的飽和程度。當(dāng)?shù)诙蓸与娮桦妷撼^雙向闊值 中任一個(gè)時(shí)，雙限電壓比較器便會(huì)產(chǎn)生高電平，進(jìn)而反饋控制電路的電流。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[001引圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的雙向飽和式磁通n原理圖；
[0016] 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的雙向飽和式磁通口原理中的激勵(lì)電流與時(shí)間的關(guān)系圖；
[0017] 圖4 (a)為IP = 0時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中的時(shí)間比例型磁通口原理磁忍電感值與被測(cè)電流 關(guān)系圖；
[0018] 圖4 (b)為IP聲0時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中的時(shí)間比例型磁通口原理磁忍電感值與被測(cè)電流 關(guān)系圖；
[0019 ]圖5為現(xiàn)有技術(shù)中的時(shí)間比例型磁通n巧慢原理Ip聲0。
[0020] 圖6為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器一種實(shí)施例的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和H橋逆 變電路的電路圖；
[0021] 圖7為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中被測(cè)電流及其經(jīng)過分頻后的 高低頻分量波形圖；其中圖7 (a)被測(cè)電流波形圖；圖7 (b)低頻分量波形圖；圖7 (C)高頻分量 波形圖；
[0022] 圖8為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中被測(cè)低頻交流電為0.5A時(shí)測(cè) 量得到的次級(jí)電流波形圖；
[0023] 圖9(a)為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中被測(cè)高頻交流電無反饋電 路的采樣電阻電壓波形圖；
[0024] 圖9(b)為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中被測(cè)高頻交流電有反饋電 路的采樣電阻電壓波形圖；
[0025] 圖10(a)為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中被測(cè)低頻交流電為OA時(shí) 的逆變電壓輸出波形圖；
[0026] 圖10(b)為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中被測(cè)低頻交流電為0.OlA 時(shí)的逆變電壓輸出波形圖；
[0027] 圖11為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中在全溫度量程下被測(cè)電流的 相對(duì)誤差圖；
[0028] 圖12為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1中在全量程下不同溫度中被測(cè) 電流的相對(duì)誤差圖；
[0029] 圖13為本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器實(shí)施例1的頻率特性曲線圖；（圖中：1、 電流探頭;2、信號(hào)處理電路;3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;4、反饋控制電路;5、激勵(lì)電流流入端;6、低頻 激勵(lì)電流流出端;7、高頻激勵(lì)電流流出端;8、低通濾波器;9、高通濾波器；10、第一采樣電 阻；11、第二采樣電阻；12、單限電壓比較器；13、雙限電壓比較器；14、或口電路；15、D觸發(fā) 器；16、MOS陽(yáng)巧區(qū)動(dòng)電路；17、H橋逆變電路）
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施 例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范 圍。
[0031] 圖1所述實(shí)施例表明，本發(fā)明一種單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器，包括電流探頭1、信 號(hào)處理電路2、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)3和反饋控制電路4;所述電流探頭1具有反饋控制電路4 反饋后激勵(lì)電流的流入端5(簡(jiǎn)稱激勵(lì)電流流入端5)、流入低通濾波器8的激勵(lì)電流流出端6 (簡(jiǎn)稱低頻激勵(lì)電流流出端6)和流入高通濾波器9的激勵(lì)電流流出端7(簡(jiǎn)稱高頻激勵(lì)電流 流出端7);所述信號(hào)處理電路2包括低通濾波器化PF)8、高通濾波器化PF)9、第一采樣電阻 10和第二采樣電阻11;所述反饋控制電路包括單限電壓比較器12、雙限電壓比較器13、或口 電路14、D觸發(fā)器15、MOS陽(yáng)巧E動(dòng)電路16和H橋逆變電路17;
[0032] 所述電流探頭1的低頻激勵(lì)電流流出端6與低通濾波器8相連，高頻激勵(lì)電流流出 端7與高通濾波器9相連，激勵(lì)電流流入端5與H橋逆變電路17連接;所述第一采樣電阻10的 一端接地，另一端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3、低通濾波器8、單限電壓比較器12和雙限電壓比較器13 分別連接;所述第二采樣電阻11的一端接地，另一端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3、高通濾波器9、單限 電壓比較器12和雙限電壓比較器13分別連接;所述低通濾波器8與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3、單限電 壓比較器12和雙限電壓比較器13連接;所述高通濾波器9與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3、單限電壓比較 器12和雙限電壓比較器13連接;所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3與單限電壓比較器12和雙限電壓比較 器13分別連接;所述或口電路14與單限電壓比較器12、雙限電壓比較器13和D觸發(fā)器15分別 連接;所述D觸發(fā)器15與MOSFET驅(qū)動(dòng)電路16連接;所述MOSFET驅(qū)動(dòng)電路16與H橋逆變電路17 連接。
[0033] 在圖1中，所述低通濾波器8為四階己特沃斯有源低通濾波器;所述高通濾波器9為 四階己特沃斯有源高通濾波器;所述單限電壓比較器12的型號(hào)為L(zhǎng)M360N，用于低頻分量測(cè) 量;所述雙限電壓比較器13的型號(hào)為L(zhǎng)M339,用于高頻分量測(cè)量;所述D觸發(fā)器15的型號(hào)為 7 化 S74。
[0034] 本發(fā)明單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器的工作原理和工作過程是：當(dāng)被測(cè)電流穿過電 流探頭1的初級(jí)線圈時(shí)，電流探頭1的磁忍會(huì)被被測(cè)電流磁化，因此會(huì)在電流探頭1的次級(jí)線 圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流(初級(jí)線圈是指被測(cè)電流流過的線圈，而次級(jí)線圈是磁忍感應(yīng)得到的電 流流過的線圈）。由于被測(cè)電流中既包含高頻分量也包含低頻分量，那么對(duì)應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng) 頻率的感應(yīng)電流，低頻分量則會(huì)被低通濾波器8選擇，而高頻分量會(huì)通過高通濾波器9。此時(shí) 次級(jí)線圈中感應(yīng)出的低頻電流便會(huì)流過第一采樣電阻10,當(dāng)磁忍飽和時(shí)，由于磁忍磁性材 料的磁導(dǎo)率降低接近0,次級(jí)電流便會(huì)增大，從而第一采樣電阻10上的采樣電壓大于單限電 壓比較器12上的闊值電壓?；蚩陔娐?4輸出高電平觸發(fā)D觸發(fā)器15的時(shí)鐘端，D觸發(fā)器15輸 出發(fā)生轉(zhuǎn)換，進(jìn)而H橋逆變電路17開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變。此時(shí)次級(jí)電流is的方向發(fā)生改變，從 而使磁忍退飽和。被測(cè)電流感應(yīng)的電流中的高頻分量通過高通濾波器9，同樣地，當(dāng)磁忍飽 和至預(yù)設(shè)情形時(shí)，第二采樣電阻11電壓增大至大于雙限電壓比較器13的預(yù)設(shè)電壓，運(yùn)時(shí)雙 限電壓比較器13便會(huì)產(chǎn)生高電平進(jìn)而控制H橋逆變電路17的開關(guān)狀態(tài)(與低頻側(cè)工作過程 相同）。
[0035] 圖2和圖3顯示，現(xiàn)有技術(shù)中的雙向飽和式磁通口原理將被測(cè)電流使磁忍到達(dá)磁感 應(yīng)強(qiáng)度為零的電流作為傳感器輸出信號(hào)。Hp為被測(cè)電流ip在磁忍中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，那么得 到Hp的值便可W通過安培定律Hl =Ni得到ip的值。從圖2中可W看出，A化代表Hp與-Hc的差 值，A此代表Hp與Hc的差值。由于Hp為A Hi，A此的平均值，因此可W得到被測(cè)電流：ip =化* (isi+is2)/2*Np。所W只需記錄磁忍的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)即磁忍的磁場(chǎng)強(qiáng)度為-Hc、Hc時(shí)的電 流值，即可得到被測(cè)電流，即對(duì)應(yīng)圖3中的t2時(shí)刻與t6時(shí)刻。運(yùn)一測(cè)量策略的被測(cè)電流關(guān)系式 中沒有與溫度相關(guān)的量，因此適用于高溫環(huán)境下對(duì)電流的測(cè)量。另外該策略需要被測(cè)的數(shù) 據(jù)少，處理電路簡(jiǎn)單，減小了測(cè)量探頭的整體體積，易于實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化。
[0036] 圖4和圖5顯示，雙向飽和型磁通口測(cè)量原理測(cè)量電流的最小值ipmin要使磁忍能夠 飽和，運(yùn)樣運(yùn)一原理才能正常工作。但是如果當(dāng)被測(cè)電流值小于ipmin時(shí)，那么本發(fā)明應(yīng)用另 一種測(cè)量原理對(duì)低頻小電流進(jìn)行測(cè)量，即時(shí)間比例型磁通口原理。時(shí)間比例型磁通口原理 采用感應(yīng)電勢(shì)正負(fù)波形的時(shí)間作為傳感器的輸出信號(hào)。
[0037] 當(dāng)被測(cè)電流幅值及頻率較小時(shí)，磁忍可W采用分段線性磁化曲線模型分析激磁回 路的工作過程。運(yùn)時(shí)磁忍可W看做為一個(gè)可變電感，電感值可被定義為勵(lì)磁電流i的函數(shù)。 對(duì)于在+出與-出之間變化的磁場(chǎng)值，磁忍不飽和，所W用公知的方程（1)表示B化）：
[003引 B(H)=Wo ?化.H (1)
[0039] 其中，iio為真空磁導(dǎo)率，iir為磁忍材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。通過磁路的幾何參數(shù)W及應(yīng) 數(shù)N可確定磁忍中磁鏈4與被測(cè)電流ip之間的關(guān)系。
[0040] (2)
[0041] (3)
[0042] T 得到：
[0043] (4)
[0044]
[0045] 巧）
[0046] 送電流i之間的關(guān)系：
[0047] 橫
[004引通過推導(dǎo)，公式(6)作為電流i的函數(shù)，因此我們可W得到當(dāng)磁忍未達(dá)到磁飽和時(shí)， 其磁導(dǎo)率為ii，此時(shí)激磁繞組電感量L為：
[0049]
仍
[0050] 式中S代表磁忍有效截面積，I為磁忍的平均磁路長(zhǎng)度，N為激勵(lì)線圈應(yīng)數(shù)，叫、iir分 別代表真空磁導(dǎo)率和磁忍的相對(duì)磁導(dǎo)率。當(dāng)被測(cè)電流ip小于使磁忍飽和的飽和電流ipmin時(shí)， 電感值為一較大的值Lf;當(dāng)被測(cè)電流ip大于ipmin時(shí)，電感值Le接近于0,如圖4(a)所示，電感 值Lf是Le的iir倍。W下，我們將假設(shè)電感飽和時(shí)的電感值Le為零。通過將正電流施加于初級(jí) 導(dǎo)體，特性L(i)偏移到左側(cè)，在負(fù)初級(jí)電流的情況下，該特性將向右側(cè)偏移。該偏移量與初 級(jí)電流大小相關(guān)，并且如W下所證明的，理論上與初級(jí)電流成比例。
[0051] 由圖5可得出被測(cè)電流ip的表達(dá)式：
[0化2] (8)
[0053] 巧中Bs表不処和磁感應(yīng)強(qiáng)度，與磁忍材料性質(zhì)有關(guān)。從式中可W看出，被測(cè)電流ip 的值只與磁忍性質(zhì)及使磁忍飽和的上升下降時(shí)間有關(guān)，式中沒有與溫度相關(guān)的被測(cè)量，因 此該傳感器可測(cè)量溫度區(qū)間較大，適合高溫場(chǎng)合應(yīng)用。
[0054] 圖6所述實(shí)施例表明，所述MOSFE巧區(qū)動(dòng)電路16是由忍片IRS2103及其外部電路構(gòu) 成;所述H橋逆變電路17是由忍片SI4946及其外部構(gòu)成;所述MOSFET驅(qū)動(dòng)電路16與H橋逆變 電路17的電路構(gòu)成是:第一 IRS2103的引腳2和引腳3與D觸發(fā)器15相連;第一 IRS2103的引腳 1和引腳4通過去禪電容C3連接供電電源（15￥直流電源）；第一1352103的引腳6和引腳8之間 連接自舉電容Cl;第一IRS2103的引腳8通過二極管Dl連接到供電電源上;第一IRS2103的引 腳5通過限流電阻R2連接第一 SI4946的引腳4;第一 IRS2103的引腳7通過限流電阻Rl連接第 一 SI4946的引腳2;第一 SI4946的引腳1和引腳5相連;第一 SI4946的引腳8通過去禪電容巧 和供電電源相連;第一 SI4946的引腳6作為輸出端和電流探頭1相連;第一SI4946的引腳3與 第二SI4946的引腳3相連，再通過限流電阻Rs接地;第二IRS2103的引腳2和引腳3與D觸發(fā)器 15相連;第二IRS2103的引腳1和引腳4通過去禪電容C4連接供電電源;第二IRS2103的引腳6 和引腳8之間連接自舉電容C2;第二IRS2103的引腳8通過二極管D2連接到供電電源上;第二 IRS2103的引腳5通過限流電阻R4連接第二SI4946的引腳4;第二IRS2103的引腳7通過限流 電阻R3連接第二SI4946的引腳2;第二SI4946的引腳1和引腳5相連;第二SI4946的引腳8通 過去禪電容C6和供電電源相連;第二SI4946的引腳6作為輸出端和電流探頭1相連。
[0055] 在圖6中，去禪電容C3、C4X5和C6的電容值均為O.luF;自舉電容Cl和C2的電容值 均為15nF;限流電阻R1、R2、R3和R4的阻值均為20Q ;二極管Dl和D2的型號(hào)均為1M007。 [0化6] 實(shí)施例1
[0057] 本實(shí)施例一種單磁忍復(fù)雜波形電流傳感器的構(gòu)成如圖1所示，其中電流探頭1的初 級(jí)線圈應(yīng)數(shù)為1應(yīng)，次級(jí)線圈應(yīng)數(shù)為50應(yīng)。電流探頭1的磁忍所用的材料為超微晶軟磁材料， 其飽和磁通密度為Bs = 1.2T，矯頑力出<5A/m，飽和磁致伸縮系數(shù)為S= 1(T8~1(T6,磁導(dǎo)率為 30000~80000H/m，環(huán)形磁忍的內(nèi)徑為5.1mm、外徑為11.2mm和高為5.8mm。繞組所用的材質(zhì) 均為漆包線，直徑為0.38mm。
[0058] 所述低通濾波器8為四階己特沃斯有源低通濾波器;所述高通濾波器9為四階己特 沃斯有源高通濾波器;低通濾波器8和高通濾波器9的截止頻率均為500Hz。其中單限電壓比 較器12和雙限電壓比較器13分別用于低頻分量測(cè)量及高頻分量測(cè)量。
[0059] 本發(fā)明實(shí)施例的具體工作原理和工作過程是：當(dāng)被測(cè)電流(如圖7a所示)穿過電流 探頭1的磁忍中屯、時(shí)，磁忍會(huì)被被測(cè)電流磁化，因此會(huì)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于被 測(cè)電流中既包含高頻分量也包含低頻分量，那么對(duì)應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的感應(yīng)電流，低頻 分量(如圖7b)則會(huì)被低通濾波器8選擇，而高頻分量(如圖7c)會(huì)通過高通濾波器9。此時(shí)次 級(jí)線圈中感應(yīng)出的低頻電流便會(huì)流過第一采樣電阻10,當(dāng)磁忍飽和時(shí)，由于磁忍磁性材料 的磁導(dǎo)率降低接近0,次級(jí)電流便會(huì)增大，從而第一采樣電阻10上的采樣電壓大于單限電壓 比較器上12的闊值電壓?；蚩陔娐?4輸出高電平觸發(fā)D觸發(fā)器15的時(shí)鐘端，D觸發(fā)器15輸出 發(fā)生轉(zhuǎn)換，進(jìn)而H橋逆變電路16開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變。此時(shí)次級(jí)電流is的方向發(fā)生改變，從而 使磁忍退飽和，所得次級(jí)電流is波形如圖8所示。被測(cè)電流感應(yīng)的電流中的高頻分量通過高 通濾波器9,同樣地，當(dāng)磁忍飽和至預(yù)設(shè)情形時(shí)，第二采樣電阻11電壓增大至大于雙限電壓 比較器13的預(yù)設(shè)電壓，運(yùn)時(shí)雙限電壓比較器13便會(huì)產(chǎn)生高電平進(jìn)而控制H橋逆變電路17的 開關(guān)狀態(tài)(與低頻側(cè)工作過程相同）。
[0060] 圖9所示為本實(shí)施例的高頻分量經(jīng)過測(cè)量后采樣電阻上電壓波形，可W看到由于 反饋控制電路4的加入，此電壓波形得到改善。圖9(a)表示沒有引入反饋控制電路4時(shí)的采 樣電阻11上的電壓波形，圖9(b)表示引入反饋控制電路4后的采樣電阻11上的電壓波形。
[0061] 圖10(a)為本實(shí)施例的無被測(cè)電流時(shí)逆變電壓輸出波形，因?yàn)闊o被測(cè)電流，所W由 反饋控制電路4控制的全橋逆變器17的輸出為正負(fù)對(duì)稱的波形；圖10 (b)為本實(shí)施例的 0.OlA直流電流流經(jīng)被測(cè)電路時(shí)，逆變電壓輸出波形，符合時(shí)間比例型磁通口測(cè)量原理。因 為引入了被測(cè)電流，導(dǎo)致磁探頭1中的磁通飽和發(fā)生了變化，由反饋控制電路4控制的全橋 逆變器17的輸出變?yōu)榱苏?fù)不對(duì)稱的波形，印證了時(shí)間比例型磁通口的測(cè)量原理。
[0062] 本實(shí)施例在不同溫度條件下對(duì)同一組被測(cè)電流進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所 示。從圖11可W看出，在0 °C到120 °C范圍內(nèi)被測(cè)電流的測(cè)量值在0.2 %范圍內(nèi)浮動(dòng)，符合測(cè) 量探頭的誤差變化范圍。運(yùn)一實(shí)驗(yàn)證明了測(cè)量探頭的確具有良好的溫度特性。
[0063] 圖12為本實(shí)施例的傳感器在不同溫度環(huán)境內(nèi)工作，對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量得出的測(cè)量相 對(duì)誤差。從圖12中可W看出在全量程下，傳感器在25°C及120°C情況下電流的相對(duì)誤差均小 于0.5%。運(yùn)一測(cè)量結(jié)果說明傳感器溫度穩(wěn)定性高，適用于高溫條件工作。運(yùn)一測(cè)量結(jié)果同 時(shí)還驗(yàn)證了電流探頭可工作的最高溫度。
[0064] 本實(shí)施例為了得到所設(shè)計(jì)的電流傳感器的頻帶寬度，對(duì)不同頻率下的電流進(jìn)行了 測(cè)量。復(fù)雜波形中的直流及低頻分量的測(cè)量應(yīng)用雙向飽和式磁通口原理，中頻和高頻分量 則應(yīng)用互感器原理。最后得出傳感器的頻率特性曲線如圖13所示，被測(cè)電流頻率在0至 30曲Z時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差幾乎為零。從圖中可W看出，本實(shí)施例的測(cè)量帶寬為50曲Z。
[0065] 本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種單磁芯復(fù)雜波形電流傳感器，其特征在于該傳感器的構(gòu)成包括電流探頭、信號(hào) 處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和反饋控制電路;所述電流探頭具有激勵(lì)電流流入端、低頻激勵(lì)電 流流出端和高頻激勵(lì)電流流出端;所述信號(hào)處理電路包括低通濾波器、高通濾波器、第一采 樣電阻和第二采樣電阻;所述反饋控制電路包括單限電壓比較器、雙限電壓比較器、或門電 路、D觸發(fā)器、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和Η橋逆變電路； 上述構(gòu)成部分的連接方式是：所述電流探頭的低頻激勵(lì)電流流出端與低通濾波器相 連，高頻激勵(lì)電流流出端與高通濾波器相連，激勵(lì)電流流入端與Η橋逆變電路連接;所述第 一采樣電阻的一端接地，另一端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器、單限電壓比較器和雙限電壓 比較器分別連接;所述第二采樣電阻的一端接地，另一端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、高通濾波器、單 限電壓比較器和雙限電壓比較器分別連接;所述低通濾波器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單限電壓比 較器和雙限電壓比較器連接;所述高通濾波器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單限電壓比較器和雙限電 壓比較器連接;所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單限電壓比較器和雙限電壓比較器分別連接;所述或 門電路與單限電壓比較器、雙限電壓比較器和D觸發(fā)器分別連接;所述D觸發(fā)器與MOSFET驅(qū) 動(dòng)電路連接;所述MOSFET驅(qū)動(dòng)電路與Η橋逆變電路連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單磁芯復(fù)雜波形電流傳感器，其特征在于:所述低通濾波器為 四階巴特沃斯有源低通濾波器;所述高通濾波器為四階巴特沃斯有源高通濾波器;所述單 限電壓比較器的型號(hào)為L(zhǎng)M360N;所述雙限電壓比較器的型號(hào)為L(zhǎng)M339;所述D觸發(fā)器的型號(hào) 為74LS74。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單磁芯復(fù)雜波形電流傳感器，其特征在于:M0SFET驅(qū)動(dòng)電路與 Η橋逆變電路的電路構(gòu)成是:第一 IRS2103的引腳2和引腳3與D觸發(fā)器相連;第一 IRS2103的 引腳1和引腳4通過去耦電容C3連接供電電源;第一 IRS2103的引腳6和引腳8之間連接電容 C1;第一 IRS2103的引腳8通過二極管D1連接供電電源;第一 IRS2103的引腳5通過電阻R2連 接第一SI4946的引腳4;第一IRS2103的引腳7通過電阻R1連接第一SI4946的引腳2;第一 SI4946的引腳1和引腳5相連;第一 SI4946的引腳8通過電容C5和供電電源相連;第一 SI4946 的引腳6作為輸出端和電流探頭相連;第一 SI4946的引腳3與第二SI4946的引腳3相連，再通 過電阻Rs接地;第二IRS2103的引腳2和引腳3與D觸發(fā)器15相連;第二IRS2103的引腳1和引 腳4通過電容C4連接供電電源;第二IRS2103的引腳6和引腳8之間連接電容C2;第二IRS2103 的引腳8通過二極管D2連接到供電電源上;第二IRS2103的引腳5通過限流電阻R4連接第二 SI4946的引腳4;第二IRS2103的引腳7通過電阻R3連接第二SI4946的引腳2;第二SI4946的 引腳1和引腳5相連;第二SI4946的引腳8通過電容C6和供電電源相連;第二SI4946的引腳6 作為輸出端和電流探頭1相連。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK106018920SQ201610355183
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】楊曉光, 鄭偉東, 朱波
【申請(qǐng)人】河北工業(yè)大學(xué)