交直流磁通門電流傳感器的制造方法
【專利摘要】交直流磁通門電流傳感器，包含磁通門檢測探頭和信號處理電路，磁通門檢測探頭由一個(gè)主磁芯、聚磁磁芯、激勵(lì)繞組、反饋繞組和二次側(cè)繞組構(gòu)成；信號處理電路由激勵(lì)電路和零磁通檢測電路組成，激勵(lì)電路包括激勵(lì)信號發(fā)生電路和信號驅(qū)動(dòng)電路，激勵(lì)信號發(fā)生電路中具有采樣電阻，零磁通檢測電路包括積分比較器電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路。
【專利說明】
交直流磁通門電流傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
:
[0001]本實(shí)用新型是屬于測量電流的裝置，具體地說一種磁通門電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]磁通門電流傳感器作為一種電隔離是電流傳感器，憑借其獨(dú)特的磁感應(yīng)能力、對施加磁場高靈敏度、高精度和小型化的特點(diǎn)，相對而言具有突出的研發(fā)和應(yīng)用優(yōu)勢。
[0003]現(xiàn)有的磁通門電流傳感器包括一個(gè)環(huán)形磁芯和激勵(lì)繞組、反饋繞組，該磁芯在交變激勵(lì)磁場的作用下呈現(xiàn)周期性飽和與不飽和狀態(tài)，從而基于磁通門原理檢測直流和低頻交流；
[0004]現(xiàn)有的磁通門傳感器有激勵(lì)繞組和反饋繞組正交布置和平行布置兩種方式，現(xiàn)有常用于電流檢測的是激勵(lì)繞組和反饋繞組平行布置的方式，但是這種布置方式，激勵(lì)繞組和反饋繞組產(chǎn)生的磁場相互耦合，影響測量精度。同時(shí)該布置方式的磁通門電流傳感器，只適用于檢測直流和低頻交流。
[0005]激勵(lì)繞組和反饋繞組采用正交布置方式，雖然可以克服磁場相互耦合現(xiàn)象，但由于該布置方式中電流產(chǎn)生的磁場是開路的，導(dǎo)致磁阻很大，因此只適用于弱磁場的測量，尚未有用于電流檢測的先例。本實(shí)用新型基于兩種傳感器的缺點(diǎn)，提出了一種用于電流檢測的采用激勵(lì)繞組和反饋繞組正交布置的方式磁通門電流傳感器，同時(shí)引入聚磁磁芯，達(dá)到了檢測高頻交流的目的。
[0006]
【申請人】在先申請的中國專利申請CN104808042A公開了一種采用正交布置的磁通門傳感器，該文獻(xiàn)公開的磁通門傳感器的探頭由一個(gè)聚磁殼加環(huán)形磁芯和激勵(lì)繞組加二次反饋繞組組成，可以消除測量過程中的誤差，提高測量精度，但是該磁通門傳感器的檢測帶寬還是較窄，無法對高頻交流電進(jìn)行檢測。
[0007]因此提供一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷，能的測量，檢測精度高，且量程較大的磁通門電流傳感器成為現(xiàn)有技術(shù)中亟待解決的問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的采用電機(jī)技術(shù)方案是:
[0009]提供一種交直流磁通門電流傳感器，所述交直流磁通門電流傳感器，包含磁通門檢測探頭7和信號處理電路16，其特征是所述磁通門檢測探頭由一個(gè)主磁芯1、聚磁磁芯2、激勵(lì)繞組4、反饋繞組5和二次側(cè)繞組6構(gòu)成；
[0010]主磁芯和聚磁磁芯均為環(huán)型磁芯，聚磁磁芯套在主磁芯外部且兩者同軸，激勵(lì)繞組為單根導(dǎo)線沿著主磁芯圓周方向均勻纏繞形成的繞組，二次側(cè)繞組為單根導(dǎo)線沿聚磁磁芯徑向均勻纏繞形成的繞組，反饋繞組為單根導(dǎo)線沿向?qū)h(huán)形磁芯I和聚磁磁芯2—并纏繞形成的繞組；
[0011]信號處理電路16由激勵(lì)電路14和零磁通檢測電路15組成；
[0012]激勵(lì)電路包括激勵(lì)信號發(fā)生電路10和信號驅(qū)動(dòng)電路11，激勵(lì)信號發(fā)生電路中具有采樣電阻Rs，激勵(lì)信號發(fā)生電路10的輸出端連接著信號驅(qū)動(dòng)電路11的輸入端；
[0013]激勵(lì)繞組4一端與激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸入端連接并經(jīng)采樣電阻接地，另一端連接著信號驅(qū)動(dòng)電路11輸出端；
[0014]零磁通檢測電路15包括積分比較器電路12和H橋驅(qū)動(dòng)電路13，H橋驅(qū)動(dòng)電路中具有測量電阻Rf ；
[0015]積分比較器電路12的輸入端和信號驅(qū)動(dòng)電路11的輸出端相連，積分比較器電路的輸出端和H橋驅(qū)動(dòng)電路13的輸入端相連，H橋驅(qū)動(dòng)電路13的輸出端連接反饋繞組5的一端，反饋繞組5的另一端通過H橋驅(qū)動(dòng)電路13中的測量電阻Rf接地，同時(shí)反饋繞組5的另一端還連接著磁通門檢測探頭7中的二次側(cè)繞組6，二次側(cè)繞組6的另一端接地。
[0016]所述的交直流磁通門電流傳感器，其特征是主磁芯的高度H1與聚磁磁芯的高度H2相等。聚磁磁芯的內(nèi)徑d2大于主磁芯的外徑Dl，d2-Di < 2mm。
[0017]所述的交直流磁通門電流傳感器，其特征是所述的激勵(lì)信號發(fā)生電路選自方波信號發(fā)生電路、三角波信號發(fā)生電路、正弦波信號發(fā)生電路中的一種，優(yōu)選為方波信號發(fā)生電路。
[0018]所述的方波信號發(fā)生電路采用型號為LM6132的方波信號發(fā)生芯片。
[0019]所述信號驅(qū)動(dòng)電路采用型號為IR2101S的功率放大芯片。
[0020]所述積分比較器電路采用型號為TLC2652積分比較器芯片。
[0021]本實(shí)用新型提供交直流磁通門電流傳感器具有以下有益效果:
[0022](I)傳統(tǒng)的磁通門電流傳感器包括一個(gè)環(huán)形磁芯，該磁芯在交變激勵(lì)磁場的作用下呈現(xiàn)周期性飽和與不飽和狀態(tài)，從而基于磁通門原理檢測直流和低頻交流，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)磁通門電流傳感器的功能；區(qū)別于傳統(tǒng)磁通門的結(jié)構(gòu)與工作原理，本實(shí)用新型提供的交直流磁通門電流傳感器(以下簡稱傳感器)在傳統(tǒng)磁通門電流傳感器的基礎(chǔ)上，用激勵(lì)繞組和反饋繞組正交布置的方式，有效地減少了兩磁場間的耦合;同時(shí)引入了一個(gè)聚磁磁芯，有效地聚集激勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁場，減少了激勵(lì)繞組的安匝數(shù)，且能夠有效地屏蔽了外界雜散磁場的干擾，降低了傳感器探頭的體積，提高了其檢測靈敏性和抗干擾能力。
[0023](2)增加了二次側(cè)繞組，使傳感器還能夠測量中頻和高頻交流電流，擴(kuò)展了電流測量的帶寬。
[0024](3)采用沿著磁芯徑向?qū)蓚€(gè)磁芯一并纏繞起來的反饋繞組和沿著環(huán)形磁芯圓周方向纏繞的激勵(lì)繞組正交分布的方式，使得兩繞組產(chǎn)生的磁場有效聚集于環(huán)形磁芯中并且彼此正交，達(dá)到了減小磁勢并且解除兩磁場間的耦合的目的，從而提高了傳感器的靈敏度、測量精度、線性度，減小了磁滯現(xiàn)象對傳感器的影響。
【附圖說明】
[0025]圖1是本實(shí)用新型【具體實(shí)施方式】提供的交直流磁通門電流傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本實(shí)用新型【具體實(shí)施方式】提供的交直流磁通門電流傳感器的磁通門檢測探頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是【具體實(shí)施方式】提供的交直流磁通門電流傳感器的激勵(lì)電路示意圖。
[0028]圖4是【具體實(shí)施方式】提供的交直流磁通門電流傳感器的積分比較器電路示意圖。[0029 ]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例和對比例提供的交直流磁通門電流傳感器輸入輸出特性曲線對比圖。
[0030]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例和對比例提供的交直流磁通門電流傳感器相對誤差曲線對比圖。
[0031]圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的交直流磁通門電流傳感器的頻率響應(yīng)曲線圖。
[0032]圖中，I是環(huán)形磁芯，2是聚磁磁芯，3是被測繞組，4是激勵(lì)繞組，5是反饋繞組，6是二次側(cè)繞組，7是磁通門檢測探頭，8是測量電阻，10是激勵(lì)信號發(fā)生電路，101是方波信號發(fā)生芯片，11是?目號驅(qū)動(dòng)電路，111是功率放大芯片，12是積分比較電路，13是H橋驅(qū)動(dòng)電路，14是激勵(lì)電路，15是零磁通檢測電路，16是彳目號處理電路。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本實(shí)用新型提供的交直流磁通門電流傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示；
[0034]本實(shí)用新型提供的交直流磁通門傳感器，包含磁通門檢測探頭7和信號處理電路16，所述磁通門檢測探頭由一個(gè)主磁芯1、聚磁磁芯2、激勵(lì)繞組4、反饋繞組5和二次側(cè)繞組6構(gòu)成；
[0035]主磁芯和聚磁磁芯均為環(huán)型磁芯，聚磁磁芯套在主磁芯外部且兩者同軸，通過待測電流的待測繞組3沿軸向從主磁芯中心軸通過
[0036]激勵(lì)繞組為單根導(dǎo)線沿著主磁芯圓周方向均勻纏繞形成的繞組，
[0037]二次側(cè)繞組為單根導(dǎo)線沿聚磁磁芯徑向均勻纏繞形成的繞組，
[0038]反饋繞組為單根導(dǎo)線沿向?qū)h(huán)形磁芯I和聚磁磁芯2—并纏繞形成的繞組；
[0039]信號處理電路16由激勵(lì)電路14和零磁通檢測電路15組成；
[0040]激勵(lì)電路包括激勵(lì)信號發(fā)生電路10和信號驅(qū)動(dòng)電路11，激勵(lì)信號發(fā)生電路中具有采樣電阻Rs，激勵(lì)信號發(fā)生電路10的輸出端連接著信號驅(qū)動(dòng)電路11的輸入端；
[0041]激勵(lì)繞組4一端與激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸入端連接并經(jīng)采樣電阻接地，另一端連接著信號驅(qū)動(dòng)電路11輸出端；
[0042]零磁通檢測電路15包括積分比較器電路12和H橋驅(qū)動(dòng)電路13，H橋驅(qū)動(dòng)電路中具有測量電阻Rf ；
[0043]積分比較器電路12的輸入端和信號驅(qū)動(dòng)電路11的輸出端相連，積分比較器電路的輸出端和H橋驅(qū)動(dòng)電路13的輸入端相連，H橋驅(qū)動(dòng)電路13的輸出端連接反饋繞組5的一端，反饋繞組5的另一端通過H橋驅(qū)動(dòng)電路13中的測量電阻Rf接地，同時(shí)反饋繞組5的另一端連接著磁通門檢測探頭7中的二次側(cè)繞組6，二次側(cè)繞組6的另一端接地。
[0044]磁通門檢測探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。Ihlplf和Is分別為激勵(lì)繞組電流、待測電流、反饋繞組電流和二次側(cè)繞組電流，激勵(lì)繞組4、待測繞組3、反饋繞組5和二次側(cè)繞組6的匝數(shù)分別為Ne、NP、Nf和Ns，反饋繞組5和激勵(lì)繞組4正交，使得兩繞組產(chǎn)生的磁場有效聚集于主磁芯中并且彼此正交，從而達(dá)到了解除兩磁場間的耦合的目的，使得測量的靈敏度和線性度提尚O
[0045]所述激勵(lì)電路如圖3所示，激勵(lì)電路中的激勵(lì)信號發(fā)生電路為方波信號發(fā)生電路，激勵(lì)電路包括用于方波信號發(fā)生電路的方波信號發(fā)生芯片101和用于信號驅(qū)動(dòng)電路的功率放大芯片111。
[0046]所述方波信號發(fā)生芯片的型號為LM6132，具有8個(gè)引腳，分別輸出端A(0UTA)、反相輸入端A(_IN A)、同相輸出端A(+IN A)、電源負(fù)極端(V—)、電源正極端(V+)、輸出端B(0UTB)、反相負(fù)極輸入端B(-1N B)和同相輸入端B(+IN B)，V+和V—分別與直流電源的正負(fù)極連接，V—和V+還分別與容量均為0.1yF的第一穩(wěn)壓電容(^和第二穩(wěn)壓電容(:2并聯(lián)，第一穩(wěn)壓電容&和第二穩(wěn)壓電容&另一端分別接地，OUT A與-1NA短接后再通過阻值為2.9K的第一電阻仏與-1N B連接，+IN A并聯(lián)激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸入端和阻值為20ΚΩ的采樣電阻Rs的一端，采樣電阻Rs另一端接地，激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸入端與激勵(lì)繞組4的一端連接;+IN B并聯(lián)連接第二電阻R2和第三電阻R3,R2阻值為1.8K Ω且另一端接地，R3阻值為13.5K Ω且另一端與OUT B和激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸出端并聯(lián)連接，
[0047]所述功率放大芯片型號為IR2101S，具有8個(gè)引腳，分別為正極供電端(Vcc)、高電平輸入端(HIN)、低電平輸入端(LIN)、公共端(COM)、低電平輸出端(LO)、高電平懸空電源偏移電壓(Vs)、高電平輸出端(HO)、高電平懸空電源電壓(Vb)，所述HIN與信號驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，信號驅(qū)動(dòng)電路的輸入端與激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸出端連接;Vcc連接直流電源正極，直流電源正極還通過一個(gè)型號為1N4106的二極管0!與￥8連接，Vb再通過一個(gè)電容值為
0.1yF的第三穩(wěn)壓電容C3與Vs連接;LIN懸空，HO連接信號驅(qū)動(dòng)電路的輸出端并通過輸出端與激勵(lì)繞組的另一端連接，COM與直流電源的負(fù)極連接，LO接地。
[0048]所述積分比較器電路如圖4所示，包括型號為TLC2652積分比較器芯片121，所述積分比較器芯片包括8個(gè)引腳，分別為同相輸入(IN+)、反相輸入(IN-)、正極供電端(VDD+)、負(fù)極供電端(VDD-)、輸出端(OUT)，鉗位端(CLAMP)、濾波電容接入端A(Cxa)和濾波電容接入端B(Cxb)，
[0049]Cxa經(jīng)串聯(lián)的第五穩(wěn)壓電容C5(0.1yF)和第六穩(wěn)壓電容C6(電容值為0.0lyF)后接地，在CdPC6之間連接電容第七穩(wěn)壓電容C7(電容值為0.0lyF)，C7的另一端連接CXB，IN-與第四電阻R4(阻值為1KΩ )和第四穩(wěn)壓電容C4(電容值為0.0lyF)相連，R4的連接信號驅(qū)動(dòng)電路的輸出端，第四穩(wěn)壓電容C4的另一端并聯(lián)連接OUT和測量電阻Rf(阻值為200 Ω )，Rf的另一端與H橋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，IN+經(jīng)第五電阻R5(阻值為10.2K Ω )接地，VDD-連接直流電源負(fù)極，CLAMP懸空，VDD+連接的直流電源正極。
[0050]實(shí)施例
[0051 ] 主磁芯外形參數(shù)為:內(nèi)徑di = 9mm、外徑Di = 18mm和高度Hi = 10mm。
[0052]聚磁磁芯外形參數(shù)為:內(nèi)徑d2 = 20mm、外徑D2 = 30mm和高度H2 = 10mm。主磁芯與聚磁磁芯同軸等高
[0053]待測繞組匝數(shù)NP=1，即為沿主磁芯中心軸線穿過的單根導(dǎo)線；
[0054]激勵(lì)繞組匝數(shù)Ne = 50(40?50); 二次側(cè)繞組匝數(shù)Ns = 200(150?200);反饋繞組匝數(shù) Nf=150(100 ?150)。
[0055]本實(shí)施例中主磁芯與聚磁磁芯的材料為鐵基納米晶軟磁材料，其飽和磁通密度為83 = 1.21'，矯頑力凡〈54/111，飽和磁致伸縮系數(shù)為3=10—8?10—6，磁導(dǎo)率為15000?150000!1/m，鐵芯損耗(I OOKHz, 0.3T) PFe = 80ff/Kg 0
[0056]上述磁通門電流傳感器，所述全部繞組均采用直徑為0.3mm的漆包線。采用直流電源為15V直流電源。激勵(lì)繞組兩端的激勵(lì)電壓信號為頻率f = 1kHz,幅值±15V的方波信號
[0057]對比例
[0058]對比例中的反饋繞組為在激勵(lì)繞組纏好后，再用一根導(dǎo)線沿著磁芯圓周方向?qū)⒅鞔判纠p繞起來，對比例中反饋繞組的匝數(shù)N’f=Nf，使激勵(lì)繞組和反饋繞組平行分布，其他同實(shí)施例。
[0059]本實(shí)用新型實(shí)施例和對比例在被測電流^范圍從OA到25A時(shí)，輸入輸出特性曲線對比如圖5所示。圖中輸出電壓即測量電阻兩端的電壓，從圖可以看出，激勵(lì)繞組和反饋繞組平行分布的對比例提供的磁通門電流傳感器的靈敏度較低，且準(zhǔn)確度和線性度較差;而采用激勵(lì)繞組和反饋繞組正交分布的實(shí)施例磁通門電流傳感器，由于反饋繞組和激勵(lì)繞組構(gòu)成正交分布，使得兩繞組產(chǎn)生的磁場有效聚集于主磁芯中并且彼此正交，從而達(dá)到了解除兩磁場間的耦合的目的，使得測量的靈敏度和線性度大大提高。
[0060]用輸出電壓的理論值減去實(shí)際值，再除以實(shí)際值便可相對誤差，被測電流Ip范圍從OA到25A時(shí)實(shí)施例與對比例的誤差曲線對比圖如圖6所示。圖中可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例的相對誤差在± 0.4 %，而對比例的相對誤差則超過±0.12%。
[0061]本實(shí)用新型實(shí)施例的頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。圖中可以看出采用本實(shí)用新型提供的所發(fā)明實(shí)施例提供的的磁通門電流傳感器在待測電流頻率小于40KHz時(shí)的信號衰減小于5dB，可以適用于頻率不高于40KHz的電流檢測，該頻率基本與采用磁芯的工作頻率一致。
[0062]上述實(shí)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)，帶聚磁磁芯且繞組正交分布的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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.交直流磁通門電流傳感器，包含磁通門檢測探頭和信號處理電路，其特征是所述磁通門檢測探頭由一個(gè)主磁芯、聚磁磁芯、激勵(lì)繞組、反饋繞組和二次側(cè)繞組構(gòu)成； 主磁芯和聚磁磁芯均為環(huán)型磁芯，聚磁磁芯套在主磁芯外部且兩者同軸，激勵(lì)繞組為單根導(dǎo)線沿著主磁芯圓周方向均勻纏繞形成的繞組，二次側(cè)繞組為單根導(dǎo)線沿聚磁磁芯徑向均勻纏繞形成的繞組，反饋繞組為單根導(dǎo)線沿向?qū)h(huán)形磁芯和聚磁磁芯一并纏繞形成的繞組； 信號處理電路由激勵(lì)電路和零磁通檢測電路組成，激勵(lì)電路包括激勵(lì)信號發(fā)生電路和信號驅(qū)動(dòng)電路，激勵(lì)信號發(fā)生電路中具有采樣電阻，激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸出端連接著信號驅(qū)動(dòng)電路的輸入端；激勵(lì)繞組一端與激勵(lì)信號發(fā)生電路的輸入端連接并經(jīng)采樣電阻接地，另一端連接著信號驅(qū)動(dòng)電路輸出端;零磁通檢測電路包括積分比較器電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路，H橋驅(qū)動(dòng)電路中具有測量電阻；積分比較器電路的輸入端和信號驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連，積分比較器電路的輸出端和H橋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，H橋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接反饋繞組的一端，反饋繞組的另一端通過H橋驅(qū)動(dòng)電路中的測量電阻接地，同時(shí)反饋繞組的另一端連接著磁通門檢測探頭中的二次側(cè)繞組，二次側(cè)繞組的另一端接地。2.如權(quán)利要求1所述的交直流磁通門電流傳感器，其特征是主磁芯的高度^與聚磁磁芯的高度H2相等，聚磁磁芯的內(nèi)徑d2大于主磁芯的外徑Di，d2-Di < 2mm。3.如權(quán)利要求1所述的交直流磁通門電流傳感器，其特征是所述的激勵(lì)信號發(fā)生電路選自方波信號發(fā)生電路、三角波信號發(fā)生電路、正弦波信號發(fā)生電路中的一種。4.如權(quán)利要求1所述交直流磁通門電流傳感器，其特征所述的激勵(lì)信號發(fā)生電路為方波信號發(fā)生電路。5.如權(quán)利要求4所述的交直流磁通門電流傳感器，其特征是方波信號發(fā)生電路采用型號為LM6132的方波信號發(fā)生芯片。6.如權(quán)利要求1?5任一所述的交直流磁通門電流傳感器，其特征是所述信號驅(qū)動(dòng)電路采用型號為IR2101S的功率放大芯片。7.如權(quán)利要求1?5任一所述的交直流磁通門電流傳感器，其特征是所述積分比較器電路采用型號為TLC2652積分比較器芯片。
【文檔編號】G01R19/00GK205506904SQ201620185115
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】楊曉光, 郭偉, 宋海鵬, 朱波, 李叢叢
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)