CN102621399B

CN102621399B - 基于开关电路的电感值测量方法

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Publication number: CN102621399B
Application number: CN201210120723.6A
Authority: CN
Inventors: 欧阳斌林; 魏巍; 杨方; 辛苗
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: CN102621399A

Abstract

基于开关电路的电感值测量方法，涉及一种测量方法，为了解决目前电感值测量方法的测量精度测量精度较低且复杂的问题。它分别基于开关电路、桥式双向开关电路和互感器电路实现的。利用电子开关控制对被测电感进行充放电，当被测电感两端的电压u_L等于并联在被测电感两端的二极管D的压降U_DP时，测得时间t_D，在所述时间t_D内，被测电感的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂，利用公式求被测电感的电感值L_x。它用于测电感、互感器、感性电器的电感值。

Description

基于开关电路的电感值测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别涉及一种基于开关电路的电感值测量方法。

背景技术

目前电感、互感器、感性电器和电机的绕组广泛用于DC_DC开关电路，电感式传感器都是用一定频率正弦波激励来测出电感值的。随着开关电源及开关电路的广泛使用，电感更多被用于开关电路中，而不是工作在正弦状态。

目前电感值测量方法的测量精度较低且复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前电感值测量方法的测量精度测量精度较低且复杂的问题，提供一种基于开关电路的电感值测量方法。

本发明的基于开关电路的电感值测量方法，

它基于桥式双向开关电路实现的，

所述桥式双向开关电路包括电流源、第一二极管、第二二极管、电子开关S1、电子开关S2、电子开关S3和电子开关S4；

电流源的电流输入端接供电电源VCC的正极,电流源的电流输出端同时与电子开关S1和电子开关S3的一端连接，电子开关S1的另一端同时与第一二极管的阴极和电子开关S2的一端连接，电子开关S3的另一端同时与第二二极管的阴极和电子开关S4的一端连接，电子开关S2的另一端、电子开关S4的另一端、第一二极管的阳极和第二二极管的阳极同时接供电电源VCC的电源地；被测电感的两端分别与第一二极管的阴极和第二二极管的阴极连接；

所述电感值测量方法包括如下步骤：

步骤一：对被测电感正向充放电时的测量电感值，它包括如下步骤：

步骤1：控制电子开关S1和电子开关S4闭合，电子开关S2和电子开关S3断开，电流源向被测电感正向充电，使被测电感中的电流i与电流源的额定电流I_s相等；

步骤2：控制电子开关S1断开，被测电感正向放电，当被测电感两端的电压u_L1等于第一二极管的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为第一二极管稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测电感的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤3：根据所述步骤一的被测电感两端的电压U_DP、被测电感的线性放电电流的初值I₁、被测电感的线性放电电流的终值I₂和第一二极管稳定正向导通时间t_D，利用公式

求被测电感的电感值L_x1。

步骤二：对被测电感反向充放电时的测量电感值，它包括如下步骤：

步骤4：控制电子开关S2和电子开关S3闭合，电子开关S1和电子开关S4断开，电流源向被测电感反向充电，使被测电感中的电流i与电流源的额定电流I_s相等；

步骤5：控制电子开关S3断开，被测电感反向放电，当被测电感两端的电压u_L2等于第二二极管的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为第二二极管稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测电感的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤6：根据所述步骤5的被测电感两端的电压U_DP、被测电感的线性放电电流的初值I₁、被测电感的线性放电电流的终值I₂和第二二极管稳定正向导通时间t_D，利用公式

求被测电感的电感值L_x2；

步骤三：根据步骤一测得电感值L_x1和步骤二测得的电感值L_x2，根据公式

L_{x} = \frac{L_{x 1} + L_{x 2}}{2},

求电感值L_x。

本发明还提供了一种互感值测量方法，

它是基于互感器开关电路实现的，所述互感器开关电路包括电流源、第一二极管、第二二极管和电子开关S；

电流源的电流输入端接供电电源VCC的正极,电流源的电流输出端同时与电子开关S的一端连接，电子开关S的另一端同时与第一二极管的阴极和被测互感器原边线圈的同名端连接，第一二极管的阳极与被测互感器原边线圈的另一端同时接供电电源VCC的电源地，被测互感器副边线圈的同名端与第二二极管的阴极连接，被测互感器副边线圈的另一端与第二二极管的阳极连接；

所述被测互感器的互感值的测量方法包括如下步骤：

步骤一：控制电子开关S闭合，电流源向被测互感器的原边线圈充电，使被测互感器中的原边线圈的电流i与电流源的额定电流I_s相等；

步骤二：控制电子开关S断开，被测互感器放电，当被测互感器的副边线圈两端的电压u_L等于第二二极管的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为第二二极管稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测互感器的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤三：根据所述步骤一的被测互感器的副边线圈两端的电压U_DP、被测互感器的线性放电电流的初值I₁、被测互感器的线性放电电流的终值I₂和第二二极管稳定正向导通时间t_D，利用公式

求被测互感器的互感值M。

本发明的优点在于：开关电路的结构简单，成本低，本发明的方法简单。能够测量电感值在1000μH以下的电感，量程为1000μH时，偏差小于10%；量程为500μH时，偏差小于3%。有效分辨率0.2μH。

附图说明

图1为本发明的基于开关电路的电感值测量方法的开关电路结构示意图。

图2为采用本发明的基于开关电路的电感值测量方法的1mH的被测电感的电压波形和电流波形。

图3为具体实施方式三的所述的基于开关电路的电感值测量方法的桥式双向开关电路结构示意图。

图4为具体实施方式四的所述的基于开关电路的电感值测量方法的互感器开关电路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本发明的基于开关电路的电感值测量方法，

它基于开关电路实现的，所述开关电路包括电流源Is、二极管D和电子开关S；电流源Is的电流输入端接供电电源VCC的正极,电流源Is的电流输出端与电子开关S的一端连接，二极管D与被测电感并联之后串联在电子开关S的另一端和供电电源VCC的电源地之间；

所述开关电路的测量方法包括如下步骤：

步骤一：控制电子开关S闭合，电流源Is向被测电感充电，使被测电感中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：控制电子开关S断开，被测电感放电，当被测电感两端的电压u_L等于二极管的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为二极管D稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测电感的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤三：根据所述步骤二的被测电感两端的电压U_DP、被测电感的线性放电电流的初值I₁、被测电感的线性放电电流的终值I₂和二极管D稳定正向导通时间t_D，利用公式

求被测电感的电感值L_x。

本实施方式的VCC取12V，与被测电感Lx的额定电压有关，可以在5—500V之间选择。

Is是恒流源电路，恒流值一般取100mA，与被测电感Lx的额定电流有关，应小于或等于被测电感的额定电流。恒流源电路由P沟道的MOS管或PNP的晶体管构成；

在充电过程中，充电电流i是变化的，并且还会超过恒流源电流，与被测电感的正向电动势有关，还与开关电路和寄生电容有关，但最后达到恒流值Is；

S为电子开关，可以用NPN晶体管或N沟道的MOS管构成，其开通或关断可以受TTL信号控制。或者可以用通用信号发生器发出的信号控制S的通断；

二极管D为开关电源用的二极管或开关晶体管或MOS管内部的二极管；

正向导通电压U_DP，U_DP由所取的二极管决定，例如，取硅管为0.6—0.8V，肖特基管为0.3V左右，UDp越小，tD越长，测量Lx的分辨率越高。

Lx为被测电感、互感器或其他感性传感器的电感线圈或电机线圈；

VCC小于Lx的额定电压值，Is小于Lx的额定电流值。

u_L节点的电压，可以用通用示波器看到波形。或通过电子电路检测到波形的指定特征段。

电子开关S和二极管D构成互补开关，电子开关S闭合时电流源Is向被测电感充电，时间足够长使电感中的电流达到稳定值i=I_S，而且有磁通链ψ=L_xI_s，由于被测电感的性质，充电过程中i是变的，最后稳定在I_S，但被测电感的电压u_L是自由可变的，由被测电感的电动势决定。电子开关S断开时，被测电感中储存的磁通链所对应的电动势经二极管D放电，符合

对线性电路，电感Lx为常数，有

这时的被测电感电压是二极管D的正向压降u_L=-U_DP=-0.8V，有U_Dp∫dt=Lx∫di，如果不考虑电压的符号，对应的被测电感电流从I₁下降到I₂所释放的磁通链为△ψ=L_x(I₁-I₂)=U_DPt_D，所以有如下关系式

LX = \frac{U_{DP}}{I_{1} - I_{2}} t_{D} - - - (1)

其中t_D是二极管D处于稳定正向导通的那段时间，当Is一定时，I₁是确定的；当D一定时，I₂也是确定的，并且放电电流线性下降，这用示波器看到。U_DP、I₁和I₂为常数，则测量t_D就可计算出电感值L_x。过了这段时间，磁场能量不足以击穿D的PN结，而与结电容构成LC阻尼振荡，直至磁场能量释放完毕。

适当的设置S的开关周期和占空比保证充电时间足够达到充电稳定，即有ψ=L_xI_s，放电时间大于t_D，用电路、集成电路和单片机定时测量t_D来测量电感值Lx。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本发明的基于开关电路的电感值测量方法是对具体实施方式一的进一步说明，用示波器监测被测电感两端的电压波形，得出时间t_D。

本实施方式采用开关信号周期为600us，占空比为0.5，示波器的型号为DS1102E100MHz，测量观察电感Lx的电压u_l的波形和电流i的波形。电流波形只是用来帮助理解测量原理，最后的结果可以不用电流波形。

图2所示为1mH电感的电压和电流波形，其中VCC=12V，恒流源Is=100mA，电流是在电路中串入0.3欧姆电阻，将电阻两端的电压放大100倍后的波形。波形是完整的两个周期，上面第一通道为电压，下面第二通道为电流。

D区有稳定的电压和电流，是充电达到的最后直流状态，有磁通链ψ=L_xI_s，u_L=DCR×I_s，i=I_s，从电压波形测量出直流电阻DCR，本实施方式中的只是铜阻。

放电部分的E区是反映电感值的部分，电感值越大，E区就越宽，就是时间t_D，这个1mH电感为的t_D=160us，22μH的电感约为20us，电压为U_DP=-0.8V，电流线性下降接近零，公式1适用于这个区，D区的磁通链是公式1的前提条件。

图2中，D区电压的高低看出直流电阻DCR的大小。E区的宽窄看出电感值的大小。总之不用测电流波形，只取电压波形就看出电感的部分参数和开关特性。并且取电压波形比电流波形容易。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，基于开关电路的电感值测量方法，它基于桥式双向开关电路实现的，

所述桥式双向开关电路包括电流源Is、第一二极管D2、第二二极管D4、电子开关S1、电子开关S2、电子开关S3和电子开关S4；

电流源Is的电流输入端接供电电源VCC的正极,电流源Is的电流输出端同时与电子开关S1和电子开关S3的一端连接，电子开关S1的另一端同时与第一二极管D2的阴极和电子开关S2的一端连接，电子开关S3的另一端同时与第二二极管D4的阴极和电子开关S4的一端连接，电子开关S2的另一端、电子开关S4的另一端、第一二极管D2的阳极和第二二极管D4的阳极同时接供电电源VCC的电源地；被测电感的两端分别与第一二极管D2的阴极和第二二极管D4的阴极连接；

所述电感值测量方法包括如下步骤：

步骤1：控制电子开关S1和电子开关S4闭合，电子开关S2和电子开关S3断开，电流源Is向被测电感正向充电，使被测电感中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤2：控制电子开关S1断开，被测电感正向放电，当被测电感两端的电压u_L1等于第一二极管D2的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为第一二极管D2稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测电感的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤3：根据所述步骤一的被测电感两端的电压U_DP、被测电感的线性放电电流的初值I₁、被测电感的线性放电电流的终值I₂和第一二极管D2稳定正向导通时间t_D，利用公式

求被测电感的电感值L_x1。

步骤4：控制电子开关S2和电子开关S3闭合，电子开关S1和电子开关S4断开，电流源Is向被测电感反向充电，使被测电感中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤5：控制电子开关S3断开，被测电感反向放电，当被测电感两端的电压u_L2等于第二二极管D4的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为第二二极管D4稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测电感的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤6：根据所述步骤5的被测电感两端的电压U_DP、被测电感的线性放电电流的初值I₁、被测电感的线性放电电流的终值I₂和第二二极管D4稳定正向导通时间t_D，利用公式

求被测电感的电感值L_x2；

L_{x} = \frac{L_{x 1} + L_{x 2}}{2},

求电感值L_x。

电感式的传感器在长期单方向充电，磁路中的磁通长期单方向励磁，会有剩磁问题。本实施方式采用双方向充放电，不仅解决了剩磁的问题，还提高了被测电感值的精度。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，基于开关电路的电感值测量方法，它是基于互感器开关电路实现的，所述互感器开关电路包括电流源Is、第一二极管D1、第二二极管D2和电子开关S；

电流源Is的电流输入端接供电电源VCC的正极,电流源Is的电流输出端同时与电子开关S的一端连接，电子开关S的另一端同时与第一二极管D1的阴极和被测互感器原边线圈的同名端连接，第一二极管D1的阳极与被测互感器原边线圈的另一端同时接供电电源VCC的电源地，被测互感器副边线圈的同名端与第二二极管D2的阴极连接，被测互感器副边线圈的另一端与第二二极管D2的阳极连接；

所述被测互感器的互感值的测量方法包括如下步骤：

步骤一：控制电子开关S闭合，电流源Is向被测互感器的原边线圈充电，使被测互感器中的原边线圈的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：控制电子开关S断开，被测互感器放电，当被测互感器的副边线圈两端的电压u_L等于第二二极管D2的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为第二二极管D2稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测互感器的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤三：根据所述步骤一的被测互感器的副边线圈两端的电压U_DP、被测互感器的线性放电电流的初值I₁、被测互感器的线性放电电流的终值I₂和第二二极管D2稳定正向导通时间t_D，利用公式

求被测互感器的互感值M。

在被测互感器的原边线圈的同名端中加入充电电流i，测量被测互感器的副边线圈的的电压u_L，互感关系式为：

充电到最后稳定时有磁通链ψ=L₁I_s，理想状态，该磁通链在磁路中也全部穿过副线圈。放电时副线圈经D2放电，同时原线圈经D1放电，有

和

在线性电路中，原边线圈自感L₁、副边线圈自感L₂和互感M都是常数,原边线圈放电时有

其中i₁为放电电流；副边线圈放电时有其中i₂为放电电流。在二极管D1和D2正向导通期间，原、副线圈中共同释放的磁通链为△ψ=(L₁+M)(I₁-I₂)=U_DPt_D，

所以有

L 1 + M = \frac{U_{Dp}}{I_{1} - I_{2}} t_{D}

如果没有D1，可以测量纯互感

但要求副边电路和接法正确，可以正常放电，否则原边线圈没有放电回路会产生高反压损坏电路元件。

下面是本发明的一个具体例子

按本发明陈述的方法搭接控制和检测电路，将被测电感电压u_L放大10倍，找出E区的波形段，E区的特征是:

（1）处于放电状态;

（2）处于持续负电压状态。

所以利用充放电控制信号找出放电状态，用比较器找出负电压，然后将信号送ARM单片机定时测量t_D,用读数N表示，N的单位为20ns（纳秒）。

试验时，恒流源取100mA，充放电周期为1ms，占空比为0.5。被测电感Lx取21μH—1000μH之间的电感，标称电感值用电桥校正过，部分电感用串联方式叠加的。这些电感分别采用本实用新型的装置中测试，读出相应的N值如表1所示。把这些数据用MATLAB软件拟合，得L_x=0.1315N-4.7504，考虑偏差大于这个表达式的精度，简化为线性关系式：

L_x=0.13N-5单位：μH (2)

表1Lx与N的数据对

（2）式的计算值L（N）与真值的绝对偏差Err=L(N)-Lx，在Lx<580μH时，偏差小于15uHμH。

上端的偏差接近100μH。如果按1000μH的满量程算，相对误差好于10%。

表2Lx的计算值与真值的绝对偏差

Claims

1.基于开关电路的电感值测量方法，其特征在于，

它基于桥式双向开关电路实现的，

所述电感值测量方法包括如下步骤：

求被测电感的电感值L_x1。

求被测电感的电感值L_x2；

求电感值L_x。

2.基于开关电路的电感值测量方法，其特征在于，

它是基于互感器开关电路实现的，所述互感器开关电路包括电流源Is、第一二极管D1、第二二极管D2和电子开关S；

电流源Is的电流输入端接供电电源VCC的正极,电流源Is的电流输出端与电子开关S的一端连接，电子开关S的另一端同时与第一二极管D1的阴极和被测互感器原边线圈的同名端连接，第一二极管D1的阳极与被测互感器原边线圈的另一端同时接供电电源VCC的电源地，被测互感器副边线圈的同名端与第二二极管D2的阴极连接，被测互感器副边线圈的另一端与第二二极管D2的阳极连接；

所述被测互感器的互感值的测量方法包括如下步骤：

步骤二：控制电子开关S断开，被测互感器线圈放电，当被测互感器的副边线圈两端的电压u_L等于第二二极管D2的压降U_DP时，测得时间t_D，该时间即为第二二极管D2稳定正向导通时间t_D，在所述时间t_D内，被测互感器的线性放电电流从初值I₁变化到终值I₂；

步骤三：根据所述步骤一的被测互感器的副边线圈两端的电压U_DP、被测互感器的线性放电电流的初值I₁、被测互感器的线性放电电流的终值I₂和第二二极管D2稳定正向导通时间t_D，利用公式求被测互感器的互感值M。