CN102401853B

CN102401853B - 双轴磁通门电流传感器

Info

Publication number: CN102401853B
Application number: CN 201110384850
Authority: CN
Inventors: 杨晓光; 汪友华; 谢存福; 张波; 刘航
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: CN102401853A

Abstract

本发明双轴磁通门电流传感器，涉及用于测量电流的装置，包含磁通门检测探头、零磁通电流互感器和信号处理电路，其中，磁通门检测探头由两个内环形磁芯a和b、激励绕组和感应绕组构成，零磁通电流互感器由一个外环形磁芯和二次侧绕组构成，另有一个反馈绕组将两个内环形磁芯a和b及外环形磁芯三个磁芯一并缠绕起来；信号处理电路分为激励电路和检测电路两部分，激励电路部分包括激励信号发生电路、电压比较器和功率放大电路，检测电路部分包括RLC谐振电路、差分放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、差分平滑滤波电路、反馈电路、压控电流源和取样电阻。本发明采用了反馈绕组组成的闭合回路，消除了现有的磁通门电流传感器的测量误差。

Description

双轴磁通门电流传感器

技术领域

本发明的技术方案涉及用于测量电流的装置，具体地说是双轴磁通门电流传感器。

背景技术

随着电力电子技术的发展，高精度电流传感器的应用范围更加广泛。尤其是非接触电流传感器，在工业应用上具有广泛的开发前景。非接触电流测量可以保证测量工作人员的人身安全和系统的稳定运行。电流测量方法主要包括：分压电阻、电流互感器、霍尔电流传感器、Rogowski线圈(罗氏线圈)、磁通门电流传感器和磁阻抗效应磁传感器。其中霍尔电流传感器和磁通门电流传感器能够检测交流和直流。霍尔电流传感器能够检测几千安培的电流，精度范围在0.5％和2％之间，但是霍尔电流传感器的检测精度受温度和外界磁场影响较大，这就限制了霍尔元件的应用范围。

现有的磁通门传感器主要应用于弱磁场检测，比如地磁场探测、铁矿石探测、位移检测和无损检测。与霍尔传感器相比，磁通门电流传感器具有低温漂和低漂移的优点。

国际上已经报道了几种磁通门电流传感器的结构，Davide Azzoni等通过应用微控制器，测量磁通门电流传感器中线圈电感的饱和时间间隔和负载电流，达到测量直流电流的目的。G Velasco-Quesada等利用反激拓扑和高效开关管转换器制造了一种低功耗磁通门电流传感器。这些磁通门电流传感器的结构复杂，制作成本高，存在较大的测量误差。CN1310801公开了一种磁传感器装置和电流传感器装置。该装置的缺点是：(1)该装置采用棒状磁芯，单棒型磁通门传感器的输出信号中含有很大的与环境磁场信息无关的基波分量，这是传感器信号处理电路需要除去的部分；(2)该装置应用两个有源元件，增加了额外的驱动电路，致使装置结构复杂，成本增加；(3)该装置采用开环传感器，磁路中的磁损耗导致的响应时间长及带宽不足，与温度相关的增益漂移相对较大，灵敏度较低。CN201689125U披露了一种零磁通电流传感器，包括外壳和盖板。外壳内设置有相互叠合的第一磁环和第二磁环，其缺点是：(1)由于该装置无外部电源，检测出的信号必然微弱，造成检测困难；(2)该装置外壳需用多种材料，成本较高，制作工艺较为复杂；(3)该装置只能测量交流电流，功能单一，应用范围较窄。

鉴于上述现有的磁通门电流传感器所存在的技术上的缺点，最终导致现有的磁通门电流传感器在实际测量中存在较大的测量误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供双轴磁通门电流传感器，采用了反馈绕组组成的闭合回路，消除了现有的磁通门电流传感器的测量误差，并且产品的结构简单、成本低和功能多。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：双轴磁通门电流传感器，包含磁通门检测探头、零磁通电流互感器和信号处理电路，其中，磁通门检测探头由两个内环形磁芯a和b、激励绕组和感应绕组构成，两个内环形磁芯a和b并列排放，激励绕组为一根导线在内环形磁芯a上缠绕100匝以后，再以相反的方向在内环形磁芯b上缠绕100匝，感应绕组将两个并排放置的内环形磁芯a和b缠绕在一起，缠绕70匝；零磁通电流互感器由一个外环形磁芯和二次侧绕组构成，二次侧绕组单独缠绕在外环形磁芯上，缠绕300匝，外环形磁芯尺寸比两个内环形磁芯a和b略大，能将两个内环形磁芯a和b完整地包围住，套在两个内环形磁芯a和b即双轴磁通门磁芯的外面，另有一个反馈绕组将两个内环形磁芯a和b及外环形磁芯三个磁芯一并缠绕起来，缠绕50匝；信号处理电路分为激励电路和检测电路两部分，激励电路部分包括激励信号发生电路、电压比较器和功率放大电路，检测电路部分包括RLC谐振电路、差分放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、差分平滑滤波电路、压控电流源和取样电阻；激励绕组一端与激励电路中的功率放大电路连接而另一端接地，感应绕组用自身存在的电感和电阻添加电容使之构成检测电路中的RLC谐振电路，二次侧绕组一端连接压控电流源而另一端接地，反馈绕组一端与压控电流源连接而另一端连接取样电阻的一端，激励电路中的激励信号发生电路连接电压比较器，电压比较器再连接功率放大电路，检测电路中的RLC谐振电路连接差分放大电路，差分放大电路再连接带通滤波电路，带通滤波电路再连接相敏检波电路，相敏检波电路再连接差分平滑滤波电路，差分平滑滤波电路再连接压控电流源，取样电阻的另一端接地，激励电路中的激励信号发生电路还与检测电路中的相敏检波电路连接。

上述双轴磁通门电流传感器，所述内环形磁芯a和b所用的材料为超微晶磁性材料，其饱和磁通密度为Bs＝1.2T，矫顽力Hc＜3A/m，饱和磁致伸缩系数为s＝10^-8～10^-6，磁导率为15000～150000H/m，铁芯损耗(100KHz，0.3T)P_Fe＝80W/Kg。

上述双轴磁通门电流传感器，所述外环形磁芯所用的材料为铁氧体，其饱和磁通密度B_s＝510mT，矫顽力H_c＜14A/m，磁导率为2500～3500H/m，磁芯损耗(100KHz，0.2T)P_cv＝600KW/m³。

上述双轴磁通门电流传感器，所述全部绕组所用的材质均为漆包线，直径为0.3mm。

上述双轴磁通门电流传感器，所述激励信号发生电路中采用芯片SN74HC4060，电压比较器所用的芯片为LM339，功率放大电路所用芯片为两个LF356，差分放大电路选用AD623芯片，带通滤波电路选用OP27A芯片，相敏检波电路选用CD4098芯片，差分平滑滤波电路选用LF353芯片，反馈电路包含的两个芯片都为CA3080。

本发明的有益效果是：

(1)原理

磁通门基本工作原理参见图1，是基于磁芯材料的非线性特征，磁芯材料选用高磁导率、低矫顽力、易饱和的软磁材料，激励绕组和感应绕组均匀缠绕在环形磁芯上。频率为f交流电流流经激励绕组，导致磁芯磁通交替变化，当交流激励安匝数足够大时，磁芯呈现周期性饱和与不饱和状态。当被测原边电流I_p＞0，二次绕组感应出的电压包含频率为(2n-1)f和2nf的谐波分量，其中的偶次谐波包含原边电流的信息，因此能通过特殊的电路结构测量原边电流。图中，Is为激励电流，Ws为激励绕组，WA为感应绕组，Ip为被测原边电流，圆形为环形磁芯。原边电流从环形磁芯内穿过，产生的磁场被环形磁芯所聚集，然后进行检测。如果磁场的大小与检测电路的输出有良好的线性关系，便可依据检测电路的输出信号来反映导线中的电流大小。

(2)与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点在于：

本发明双轴磁通门电流传感器的探测部分为磁芯，穿过环形磁芯的导线通入电流以后产生磁场，被特定的感应元件检测出来并通过驱动磁滞回线的专用电子器件和由此产生的磁效应来检测电流，磁通门检测探头通过检测出被测电流即初级电流产生的磁场，即检测初级电流。环形磁芯材料选用了高磁导率、低矫顽力和易饱和的软磁材料；激励绕组和感应绕组均匀缠绕在环形磁芯上，频率为f交流电流流经激励绕组，导致环形磁芯磁通交替变化，当交流激励安匝数足够大时，环形磁芯呈现周期性饱和与不饱和状态；当原边电流I_p＞0时，感应绕组感应出的电压包含频率为(2n-1)f和2nf的谐波分量，其中偶次谐波的包含原边电流的信息，因此能通过特殊的电路结构测量原边电流。磁通门电流传感器具有低温漂和低漂移的优点。由于磁通门电流传感器的磁芯工作在周期性的饱和与非饱和状态，所以磁场偏移得到有效抑制，同时保证了磁通门电流传感器较高的测量精度。本发明的双轴磁通门电流传感器，由于反馈绕组组成的闭合回路，消除了传统磁通门电流传感器的测量误差。

在高频范围内，二次侧绕组与被测电流产生变压器效应，在二次侧绕组上感应出感应电流，感应电流与被测电流有一个线性关系，通过测量感应电流变可得到被测电流的大小和频率。

在低频范围内(包括直流)，通过双轴磁通门原理，测得被测电流所产生的磁场的二次谐波，提取二次谐波之后，谐波与被测电流大小有一个线性关系，通过实验分析就可得到被测电流的大小。

为了具有±3‰的超低非线性误差和非常低的温漂和零漂，本发明双轴磁通门电流传感器采用了闭环系统，将电路的模拟信号输出端反馈到双轴磁通门电流传感器中的反馈线圈绕组，反馈电流产生反馈磁场，抵消了被测外界磁场，使得双轴磁通门电流传感器内部的磁芯工作在零磁场附近，这样就构成了磁通门信号处理电路的闭环系统。闭环系统中磁芯中的非激励外磁场保持在零附近，这就是闭环系统中的零场工作状态。零场相对于开环磁芯中的非激励外磁场要小很多，这对外界被测磁场的影响就减小了，有利于线性度的提高，并有效抑制了温漂和零漂现象。

另外，本发明双轴磁通门电流传感器信号处理电路中的RLC谐振电路、差分放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、差分平滑滤波电路和反馈电路所起的作用是：磁通门磁芯在饱和深度发生变化时，其输出信号的高次谐波分量的稳定度比二次谐波要差很多，很难应用。所以本发明双轴磁通门电流传感器设计为磁通门驱动电路采用了二次谐波法提取磁通门输出信号，即选择提取磁通门信号中的二次谐波分量，将其他谐波分量都滤掉。激励方波信号经过功率放大电路驱动磁通门检测探头，被测电流所产生的磁场信息H₀经过磁通门检测探头转换为感应信号，经过RLC谐振电路，会放大感应信号二次谐波分量，其他谐波分量会遭到抑制。差分放大电路可得到谐振后的感应线圈两端信号输出的差模信号。经过带通滤波电路滤除二次谐波分量以外的其他谐波分量。相敏整流电路使选频放大后的交流电信号转变为直流电信号，并能表征被测磁信号的极性。差分平滑滤波电路将相敏整流后的脉动信号转变为稳定的直流信号。直流信号电压值大小便能反映被测磁场的大小，进而反映出被测电流的大小。

(3)与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

本发明双轴磁通门电流传感器具有仅为±3‰超低的非线性误差，非常低的温漂和零漂，并且在检测直流或交流时的输入信号噪声得到有效抑制。

本发明双轴磁通门电流传感器的双轴磁通门磁芯采用超微晶材料，其具有高磁导率、低矫顽力、高矩形比、磁芯损耗低和高温稳定性好的优点，并且饱和磁感应强度较高，耐磨性和耐蚀性都强。

本发明双轴磁通门电流传感器将双轴磁通门磁芯和零磁通电流互感器磁芯结合在一起，既能测量直流电流和低频交流电流，还能测量高频交流电流。

本发明双轴磁通门电流传感器中的零磁通电流互感器是用外环形磁芯即电流互感器磁芯包围两个内环形磁芯a和b即双轴磁通门磁芯a和b，起到对外磁场屏蔽的作用，有效抑制了外界电磁干扰对电流传感器测量工作的影响，从而明显地提高了测量结果的精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明双轴磁通门电流传感器的简化原理图。

图2是本发明双轴磁通门电流传感器的磁通门检测探头结构的剖面示意图。

图3是本发明双轴磁通门电流传感器的信号处理电路的信号流程图。

图4是本发明双轴磁通门电流传感器的信号处理电路的结构示意图。

图5是本发明双轴磁通门电流传感器的激励信号发生电路示意图。

图6是本发明双轴磁通门电流传感器的电压比较器和功率放大电路示意图。

图7是本发明双轴磁通门电流传感器的RLC谐振电路示意图。

图8是本发明双轴磁通门电流传感器的差分放大电路示意图。

图9是本发明双轴磁通门电流传感器的带通滤波电路示意图。

图10是本发明双轴磁通门电流传感器的相敏检波电路示意图。

图11是本发明双轴磁通门电流传感器的差分平滑滤波电路示意图。

图12是本发明双轴磁通门电流传感器的压控电流源示意图。

图13是本发明双轴磁通门电流传感器的取样电阻上电压与被测电流的关系图。

图14是本发明双轴磁通门电流传感器的相对误差曲线图。

图中，1.内环形磁芯a，2.内环形磁芯b，3.外环形磁芯，4.感应绕组W_s1，2，5.二次侧绕组W_S3，6.反馈绕组W_f1，2，3，7.激励绕组W_e1，2，8.激励信号发生电路，9.电压比较器，10.功率放大电路，11.RLC谐振电路，12.差分放大电路，13.带通滤波电路，14.相敏检波电路，15.差分平滑滤波电路，16.压控电流源，17.取样电阻，

具体实施方式

图2所示实施例表明，本发明双轴磁通门电流传感器的磁通门检测探头由内环形磁芯a1和内环形磁芯b2、激励绕组W_e1，27和感应绕组W_s1，24构成，内环形磁芯a1和内环形磁芯b2并列排放，激励绕组W_e1，27为一根导线在内环形磁芯a1上缠绕100匝以后形成激励绕组W_e1，27的W_e1部分，再以相反的方向在内环形磁芯b2上缠绕100匝形成激励绕组W_e1，27的W_e2部分，感应绕组W_s1，24将两个并排放置的内环形磁芯a1和内环形磁芯b2缠绕在一起，缠绕70匝，其中在内环形磁芯a1上的感应绕组W_s1，24部分称为W_s1，内环形磁芯b2上的感应绕组W_s1，24部分称为W_s2；本发明双轴磁通门电流传感器的零磁通电流互感器由一个外环形磁芯3和二次侧绕组W_S3 5构成，二次侧绕组W_S3 5单独缠绕在外环形磁芯3上，缠绕300匝，外环形磁芯3尺寸比内环形磁芯a1和内环形磁芯b2略大，能将内环形磁芯a1和内环形磁芯b2完整地包围住，套在两个内环形磁芯a和b即双轴磁通门磁芯的外面，另有一个反馈绕组W_f1，2，36将内环形磁芯a1和内环形磁芯b2及外环形磁芯3三个磁芯一并缠绕起来，缠绕50匝，其中反馈绕组W_f1，2，36缠绕在内环形磁芯a1上的部分称为W_f1，反馈绕组W_f1，2，36缠绕在内环形磁芯b2上的部分称为W_f2，反馈绕组W_f1，2，36缠绕在外环形磁芯3上的部分称为W_f3。

图3所示实施例表明，本发明双轴磁通门电流传感器的信号处理电路的信号流程是：由激励信号发生电路8产生的激励方波信号，经过功率放大电路10之后，使磁芯达到周期性的过饱和状态，输入到磁通门检测探头上的激励绕组W_e1，27中，产生检测磁场。原边被测电流产生的磁场被此时的磁通门检测探头检测到之后，在磁通门检测探头感应线圈上会产生能够反应待测磁场大小的偶次谐波分量。谐波分量进入RLC谐振电路11之后，放大所需频率信号，抑制信号其他谐波分量。之后信号输入到差分放大电路12，抑制共模信号。由于磁通门探头噪声具有奇次谐波特性，而且其最大谐波分量即基波和三次谐波恰好在信号二次谐波分量两侧，因此为了抑制噪声，信号进入带通滤波电路13。信号从带通滤波电路13输出之后进入相敏检波电路14，相敏检波是在以同频率同相位的信号为基准的条件下，将周期性交变信号进行全波整流，之后经过差分平滑滤波15，来确定信号的幅度大小。相敏检波电路14的另一个作用是能彻底消除奇次谐波的影响。经过差分平滑滤波15之后，得到感应电压信号，由压控电流源16来控制反馈电流，使反馈电流产生的磁通与被测电流产生的磁通相抵消，达到零磁通状态。最后，通过测量取样电阻17上的电压，来测量反馈绕组中的电流，进而反映被测电流的大小。

图4所示实施例表明，本发明双轴磁通门电流传感器的信号处理电路分为激励电路和检测电路两部分。激励电路部分包括激励信号发生电路8、电压比较器9和功率放大电路10，检测电路部分包括RLC谐振电路11、差分放大电路12、带通滤波电路13、相敏检波电路14、差分平滑滤波电路15、压控电流源16和取样电阻17；激励绕组W_e1，27即图中的W_e1和W_e2的一端与激励电路中的功率放大电路10连接而另一端接地，感应绕组W_s1，24即图中的W_s1和W_s2，感应绕组W_s1，24自身存在的电感和电阻与添加的电容构成检测电路中的RLC谐振电路11，二次侧绕组W_S3 5一端连接压控电流源16而另一端接地，反馈绕组W_f1，2，36即图中的串为一组的W_f1、W_f2和W_f3的一端与压控电流源16连接，另一端连接取样电阻17的一端，激励电路中的激励信号发生电路8连接电压比较器9，电压比较器9再连接功率放大电路10，检测电路中的RLC谐振电路11连接差分放大电路12，差分放大电路12再连接带通滤波电路13，带通滤波电路13再连接相敏检波电路14，相敏检波电路14再连接差分平滑滤波电路15，差分平滑滤波电路15再连接压控电流源16，取样电阻17的另一端接地。

激励信号发生电路8的芯片SN74HC4060的两个引脚分别引出频率为f₁和2f₁的信号，频率为f₁的信号作为激励输入到电压比较器9中，频率为2f₁的信号输入到相敏检波电路14中，作为相敏检波的基准信号。从激励信号发生电路8中输出的信号是从零到某一正值的方波，实际需要的信号为有正有负的方波激励，通过图4中电压比较器9以后，将得到有正有负的方波信号。由于从芯片SN74HC4060引脚出来的f₁方波信号功率较小，输入到激励线圈后产生的磁场不会使磁芯达到周期性的过饱和状态，也就达不到磁通门激励信号电路的要求，所以要将信号输入到功率放大电路10中，经过功率放大后，输入到激励绕组W_e1，27中，产生检测磁场。

检测磁场与被测电流所产生的磁场信号进入检测电路部分。激励信号发生电路8输出的方波信号，用此信号对本双轴磁通门电流传感器进行激励。根据磁通门原理，在双轴磁通门电流传感器应线圈上会产生能够反应待测磁场大小的偶次谐波分量。检测电路的目的就是把所需的信号检测出来。

感应绕组W_s1，24即图中的W_s1和W_s2自身存在电阻R和电感L，添加电容C使感应绕组W_s1，24回路形成RLC谐振电路11，信号通过RLC谐振电路11之后，放大所需频率信号，抑制信号其他谐波分量，之后信号输入到差分放大电路12，抑制共模信号。由于磁通门检测探头噪声具有奇次谐波特性，而且其最大谐波分量即基波和三次谐波恰好在信号二次谐波分量两侧，所以要应用带通滤波电路13。带通滤波电路13之后为相敏检波电路14，相敏检波是在以同频率同相位的信号为基准的条件下，将周期性交变信号进行全波整流，再经过差分平滑滤波电路15来确定信号的幅度大小。相敏检波电路14的另一个作用是能彻底消除奇次谐波的影响。经过相敏检波电路14之后，得到感应电压信号，由压控电流源16来控制反馈电流，使反馈电流产生的磁通与被测电流产生的磁通相抵消，达到零磁通状态。最后，通过测量取样电阻17上的电压，来测量反馈绕组中的电流，进而反映被测电流的大小。

在图4中，Ip为被测原边电流，If为反馈电流，二倍频基波信号2f₁是相敏检波电路的基准信号频率，为磁通门检测探头激励信号频率的2倍。在图中的Φ_p为被测电流产生的磁通，Φe为激励信号所产生的磁通，Rm为取样电阻17。

图5所示实施例表明本发明双轴磁通门电流传感器的激励信号发生电路8的构成，该电路中分别对8M的晶振进行8k和4k分频，产生频率为1kHz以及2kHz的方波，选用的SN74HC4060的芯片其外接晶振最高可以达到20M，能够充分满足发明要求。

图6所示实施例表明本发明双轴磁通门电流传感器的电压比较器9和功率放大电路10的构成，电压比较器9和功率放大电路10包括三个芯片，电压比较器9所用的芯片为LM339，功率放大电路10所用芯片为两个LF356，其他元件如图所示，图中L1为激励绕组W_e1，27。

图7所示实施例表明本发明双轴磁通门电流传感器的RLC谐振电路11的构成，由于磁通门检测探头噪声比信号强大得多，所以要尽可能提高前置放大器输入端的信噪比，以使前置放大器能够承受噪声并保持信号放大的准确性。考虑到磁通门检测探头输出阻抗以电感为主，因此使之构成一个RLC谐振电路11。感应绕组W_s1，24即图中的L(t)的电感为257.1mH，电阻R为感应绕组W_s1，24本身电阻，电阻值为150.6Ω，电容C的值为24.6nF。e(t)为感应绕组W_s1，24感应出的电动势，V(t)为理想情况下感应电动势e(t)中的二次谐波电动势。利用RLC谐振电路11的选频特性，在次级线圈输出端并联一个谐振电容使二次谐波的信噪比得到有效增强。

图8所示实施例表明本发明双轴磁通门电流传感器的差分放大电路12的构成，差分放大电路12能有效的抑制共模信号，其中选用AD623芯片。为了有效抑制检测电流时的输入信号噪声，本发明设计了一个高性能的对称差分放大电路12，进一步抑制了噪声。经过差分放大电路12后的磁通门信号，二次谐波信号和噪声都得到放大。中心频率为2f1带通滤波器可将噪声滤掉，得到有用的二次谐波信号。

图9所示实施例表明本发明双轴磁通门电流传感器的带通滤波电路13的构成，磁通门检测探头噪声具有奇次谐波特性，而且其最大谐波分量-基波和三次谐波恰好在信号二次谐波分量两侧，所以要应用带通滤波电路13，其中选用OP27A芯片。带通滤波电路13提取并放大了二次谐波信号，有效地除去了信号噪声。

图10所示实施例表明本发明双轴磁通门电流传感器的相敏检波电路14的构成，相敏检波是在以同频率同相位的信号为基准的条件下，将周期性交变信号进行全波整流，再经过平滑滤波来确定信号的幅度大小。相敏检波电路的另一个作用是能彻底消除奇次谐波的影响。本相敏检波电路14的另一个作用是能彻底消除奇次谐波的影响。该电路中所选芯片CD4098BE为双可再触发单稳态触发器，HCF4053为三2通道模拟开关。单稳态触发器外接RC阻容网络可进行脉冲延时和脉冲宽度的调整。利用CD4098BE的一个单稳态触发器外接阻容网络去调整基准信号的脉冲宽度，即调节本图中R401电阻值的大小，调整的脉冲宽度等于需移相的角度；然后用该脉冲的下降沿去触发CD4098的另一个单稳态触发器，调整与该单稳态触发器外接的RC阻容网络，即调节本图中R402电阻值的大小，使其输出脉冲与相敏检波输入信号的频率和相位保持一致，则CD4098中引脚10输出的方波信号与相敏检波输入信号频率和相位均一致。

图11所示实施例表明本发明双轴磁通门电流传感器的差分平滑滤波电路15的构成，该电路为外接RC阻容网络的运算放大器，有差分平滑滤波的功能。两信号分别接入运算放大器的同相端和反相端，输出直流模拟信号，改变磁通门探头轴向分量的磁场强度，发现输出的直流信号会随着磁场强度的变化而变化，其中选用LF353芯片。

图12所示实施例表明，压控电流源16包含两个芯片，都为CA3080。为了提高测量电流的范围和精度，必须设计本压控电流源16，使其反馈电流产生的磁通与被测电流产生的磁通抵消，使其达到零磁通状态。

实施例1

按上述图2所示实施例装置成双轴磁通门电流传感器的磁通门检测探头和零磁通电流互感器，其中磁通门检测探头的构成是，内环形磁芯a1和内环形磁芯b2并列排放，激励绕组W_e1，27为一根导线在内环形磁芯a1上缠绕100匝以后形成激励绕组W_e1，27的W_e1部分，再以相反的方向在内环形磁芯b2上缠绕100匝形成激励绕组W_e1，27的W_e2部分，感应绕组W_s1，24将两个并排放置的内环形磁芯a1和内环形磁芯b2缠绕在一起，缠绕70匝，其中在内环形磁芯a1上的感应绕组W_s1，24部分称为W_s1，内环形磁芯b2上的感应绕组W_s1，24部分称为W_s2；零磁通电流互感器由一个外环形磁芯3和二次侧绕组W_S35构成，二次侧绕组W_S35单独缠绕在外环形磁芯3上，缠绕300匝，外环形磁芯3尺寸比内环形磁芯a1和内环形磁芯b2略大，能将内环形磁芯a1和内环形磁芯b2完整地包围住，套在两个内环形磁芯a和b即双轴磁通门磁芯的外面，另有一个反馈绕组W_f1,2,36将内环形磁芯a1和内环形磁芯b2及外环形磁芯3三个磁芯一并缠绕起来，缠绕50匝，其中反馈绕组W_f1,2,36缠绕在内环形磁芯a1上的部分称为W_f1，反馈绕组W_f1,2,36缠绕在内环形磁芯b2上的部分称为W_f2，反馈绕组W_f1,2,36缠绕在外环形磁芯3上的部分称为W_f3。内环形磁芯a1和b2所用的材料为超微晶磁性材料，其饱和磁通密度为Bs=1.2T，矫顽力Hc<3A/m，饱和磁致伸缩系数为 s=10^-8～10^-6，磁导率为15000～150000H/m，铁芯损耗（100KHz，0.3T）P_Fe=80W/Kg；外环形磁芯3所用的材料为铁氧体，其饱和磁通密度B_s=510mT，矫顽力H_c<14A/m，磁导率为2500～3500H/m，磁芯损耗（100KHz，0.2T）P_cv=600KW/m³；全部绕组所用的材质均为漆包线，直径为0.3mm。双轴磁通门电流传感器的信号处理电路采用上述图5所示实施例表明的激励信号发生电路8、图6所示实施例表明的电压比较器9和功率放大电路10、图7所示实施例表明的RLC谐振电路11、图8所示实施例表明的差分放大电路12、图10所示实施例表明的相敏检波电路14、图11所示实施例表明的差分平滑滤波电路15和图12所示实施例表明的压控电流源16。按上述图4所示实施例，连接上述的磁通门检测探头、零磁通电流互感器和所有信号处理电路，激励绕组W_e1，27连接在激励电路当中，感应绕组W_s1，24连接在检测电路当中，二次侧绕组W_S35一端连接压控电流源，另一端接地，反馈绕组W_f1,2,36一端与压控电流源16连接，另一端连接10欧姆的取样电阻17。由此装置成双轴磁通门电流传感器。

将上述装置成的双轴磁通门电流传感器进行直流电流的测量实验，被测电流从-30A～30A，测量取样电阻17上的电压。将得到的数据输入商业软件matlab进行最小二乘曲线拟合，得到图13所示双轴磁通门电流传感器的取样电阻上的电压与被测电流的关系。该曲线的拟合方程为：Uout＝99.5Ip+15，此式表示被测电流与电流传感器输出电压之间的数量关系，可以得到，此电流传感器的线性度为99.5，零漂为15mA，输出电压限制在±3V。

用输出电压的理论值减去实际值，再除以实际值便可得到此电流传感器测量范围为-30A～30A时的相对误差，如图14本发明双轴磁通门电流传感器的相对误差曲线图所示可见，在-30A到30A的量程内，相对误差限制在±3‰内。

实施例2

除激励绕组W_e1，27为一根导线在内环形磁芯a1上缠绕100匝以后形成激励绕组W_e1，27的W_e1部分，再以相反的方向在内环形磁芯b2上缠绕100匝形成激励绕组W_e1，27的W_e2部分，感应绕组W_s1，24将两个并排放置的内环形磁芯a1和内环形磁芯b2缠绕在一起，缠绕70匝，其中在内环形磁芯a1上的感应绕组W_s1，24部分称为W_s1，内环形磁芯b2上的感应绕组W_s1，24部分称为W_s2之外，其他同实施例1。

将上述装置成的双轴磁通门电流传感器进行低频交流电流的测量实验，测量方法和过程同实施例1，被测电流从-30A～30A，测量取样电阻17上的电压。

实施例3

将上述装置成的双轴磁通门电流传感器进行高频交流电流的测量实验，测量方法和过程同实施例1，被测电流频率最高可达20KHz，测量取样电阻17上的电压。

上述实施例中使用的原材料和零部件均通过商购途径获得，所有的电路图也是现有的公知技术，双轴磁通门电流传感器的组装方法，测量方法和过程是本技术领域的所容易掌握的。

Claims

1.双轴磁通门电流传感器，其特征在于：双轴磁通门电流传感器，包含磁通门检测探头、零磁通电流互感器和信号处理电路，其中，磁通门检测探头由两个内环形磁芯a和b、激励绕组和感应绕组构成，两个内环形磁芯a和b并列排放，激励绕组为一根导线在内环形磁芯a上缠绕100匝以后，再以相反的方向在内环形磁芯b上缠绕100匝，感应绕组将两个并排放置的内环形磁芯a和b缠绕在一起，缠绕70匝；零磁通电流互感器由一个外环形磁芯和二次侧绕组构成，二次侧绕组单独缠绕在外环形磁芯上，缠绕300匝，外环形磁芯尺寸比两个内环形磁芯a和b略大，能将两个内环形磁芯a和b完整地包围住，套在两个内环形磁芯a和b即双轴磁通门磁芯的外面，另有一个反馈绕组将两个内环形磁芯a和b及外环形磁芯三个磁芯一并缠绕起来，缠绕50匝；信号处理电路分为激励电路和检测电路两部分，激励电路部分包括激励信号发生电路、电压比较器和功率放大电路，检测电路部分包括RLC谐振电路、差分放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、差分平滑滤波电路、压控电流源和取样电阻；激励绕组一端与激励电路中的功率放大电路连接而另一端接地，感应绕组用自身存在的电感和电阻添加电容使之构成检测电路中的RLC谐振电路，二次侧绕组一端连接压控电流源而另一端接地，反馈绕组一端与压控电流源连接而另一端连接取样电阻的一端，激励电路中的激励信号发生电路连接电压比较器，电压比较器再连接功率放大电路，检测电路中的RLC谐振电路连接差分放大电路，差分放大电路再连接带通滤波电路，带通滤波电路再连接相敏检波电路，相敏检波电路再连接差分平滑滤波电路，差分平滑滤波电路再连接压控电流源，取样电阻的另一端接地，激励电路中的激励信号发生电路还与检测电路中的相敏检波电路连接。

2.权利要求1所述双轴磁通门电流传感器，其特征在于：所述内环形磁芯a和b所用的材料为超微晶磁性材料，其饱和磁通密度为Bs=1.2T，矫顽力Hc<3A/m，饱和磁致伸缩系数为 s=10^-8～10^-6，磁导率为15000～150000H/m，在交变磁场100KHz和磁感应强度0.3T条件下的铁芯损耗为P_Fe=80W/Kg。

3.权利要求1所述双轴磁通门电流传感器，其特征在于：所述外环形磁芯所用的材料为铁氧体，其饱和磁通密度B_s=510mT，矫顽力H_c<14A/m，磁导率为2500～3500 H/m，在交变磁场100KHz和磁感应强度0.2T条件下的铁芯损耗为P_cv=600KW/m³。

4.权利要求1所述双轴磁通门电流传感器，其特征在于：所述激励绕组、感应绕组和反馈绕组所用的材质均为漆包线，直径为0.3mm。

5.权利要求1所述双轴磁通门电流传感器，其特征在于：所述激励信号发生电路中采用芯片SN74HC4060，电压比较器所用的芯片为LM339，功率放大电路所用芯片为两个LF356，差分放大电路选用AD623芯片，带通滤波电路选用OP27A芯片，相敏检波电路选用CD4098芯片，差分平滑滤波电路选用LF353芯片，反馈电路包含的两个芯片都为CA3080。