CN104515931A - 一种基于磁调制的直流漏电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种于磁调制的直流漏电流传感器，用于对直流绝缘状况进行监测具有良好的性能，所述直流漏电流传感器包括振荡电路、二极管、双磁芯差动单元、第一滤波器、仪用放大器、相敏检波器和第二滤波器；本发明的直流漏电流传感器采用半波激励，与传统的传感器相比，省略了用于产生相敏检波器参考信号的倍频电路，简化了电路结构，减少了干扰，降低了成本，并具有灵敏度高的特点。

Description

一种基于磁调制的直流漏电流传感器

技术领域

本发明属于电子电力设备的绝缘监测技术领域，更具体地，涉及一种基于磁调制的直流漏电传感器。

背景技术

在电子电力设备中，需要对直流绝缘状况进行实时监测，防止漏电，以保护电子设备以及人身安全。目前多采用直流漏电流传感器进行监测。现有技术的直流漏电流传感器主要基于磁调制原理，在高磁导的环形磁芯上绕以线圈，在一次线圈中通以激励信号，对磁芯进行激磁，被检测直流电流穿过磁芯中心。被测直流信号为零时，二次线圈的感应电压为波形对称的电压信号；被测直流电流信号不为零时，被测直流电流信号产生的磁场会使磁芯中的磁场发生偏磁，使二次线圈的感应电压波形发生变化，原本对称的感应电压信号变得不对称，处理这一不对称信号可以得到反映被测直流信号大小和相位的检测信号。通常处理这一信号的电路包括带通滤波、相敏检波、倍频电路和低通滤波等电路，截取感应电压信号的二次谐波，对所截取的二次谐波进行直流整流输出直流信号。现有的使用这一技术的直流漏电流传感器可以得到较好的测量效果，但是其信号处理电路复杂，干扰较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁调制的直流漏电流传感器，其目的在于采用半波激励，简化现有磁调制直流漏电流传感器的信号处理电路，由此解决现有技术的直流漏电流传感器信号处理电路结构复杂，干扰较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁调制的直流漏电流传感器，所述直流漏电流传感器包括振荡电路、二极管、双磁芯差动单元、第一滤波器、仪用放大器、相敏检波器和第二滤波器；

所述振荡电路第一输出端连接二极管输入端，二极管的输出端连接双磁芯差动单元的输入端，第一滤波器的输入端连接双磁芯差动单元的输出端；仪用放大器的输入端连接第一滤波器的输出端；相敏检波器的第一输入端连接仪用放大器的输出端，相敏检波器的参考端连接振荡电路第二输出端；相敏检波电路的输出端连接第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端作为所述直流漏电流传感器的直流输出端口；

所述振荡电路的第一输出端输出的波形信号，经过二极管整形后获得半波；所述振荡电路的第二输出端输出的波形信号用作所述相敏检波器的参考信号，所述参考信号的频率与相敏检波器的输入信号的频率相同。

所述半波作为激励信号通入双磁芯差动单元对磁芯进行激磁；待测导线穿过双磁芯差动单元，双磁芯差动单元生成检测信号输出到第一滤波器；

所述第一滤波器用于对所述检测信号进行滤波，输出基频信号，所述基频指振荡电路输出信号的频率；

所述仪用放大器对所述基频信号进行放大，并降低噪声干扰；

所述相敏检波器对放大后的基频信号进行检波；相敏检波器的参考信号由振荡电路直接提供，省略了参考信号生成电路，避免了参考信号产生电路工作时对直流漏电流传感器的干扰；

所述第二滤波器用于对相敏检波器输出的信号进行平滑滤波，输出直流信号。

优选的，所述双磁芯差动单元包括第一磁芯、第二磁芯、一次绕组线圈和二次绕组线圈；一次绕组线圈反串环绕在第一磁芯和第二磁芯上，二次绕组正串环绕在第一磁芯和第二磁芯上；

所述一次绕组线圈的输入端作为双磁芯差动单元的输入端，连接二极管的输出端；一次绕组线圈的输出端接地；二次绕组的一端接地，另一端作为双磁芯差动单元的输出端，输出感应电压接入到第一滤波器。

优选的，所述相敏检波器包括依次连接的过零比较器、电子开关电路和正反相比例运算放大器。

优选的，所述相敏检波器电子开关电路断开时，所述相敏检波器为反相比例运算放大器，输入与输出信号相位相反；所述开关导通时，相敏检波器为正相比例运算放大器，输入与输出信号相位相同；达到对输入的基频信号进行检波的作用。

优选的，所述振荡电路为方波振荡电路、正弦波振荡电路和锯齿波振荡电路中的任一种。

优选的，所述第一滤波器为带通滤波器或低通滤波器。

优选的，所述第一滤波器为四阶巴特沃思带通滤波器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于本发明采用半波激励，使得相敏检波器的输入信号正好与振荡电路的输出信号同频，而相敏检波器恰好需要一个与其输入信号同频的参考信号以保证其检波，因此相敏检波器的参考信号可由振荡电路直接提供，从而省略倍频电路等参考信号产生电路，避免参考信号产生电路工作时对传感器的干扰，达到降低干扰，提高灵敏度的作用，还可降低传感器成本；

(2)二次绕组线圈输出端的检测信号在经过第一滤波器后得到的基频信号幅值大，在经过仪用放大器放大后，更易于检出，提高了传感器的灵敏度；

(3)由于本发明采用半波激励，在半波激励下，检测信号滤波频率为基波频率，对于基波利用相应频率的低通滤波器也可以达到滤波效果，因此在本发明的优选方案里，第一滤波器采用低通滤波器，可以进一步简化电路并降低成本；

(4)本发明优选方案里的仪用放大器电路具有很高的共模抑制比，利用其高共模抑制比将基频信号从噪声中分离出来，放大基频信号的同时降低噪声，提高了传感器的灵敏度；

(5)在本发明的优选方案里，振荡电路可灵活选用正弦波振荡电路、锯齿波振荡电路和方波振荡电路中的任一种；采用正弦波振荡电路时，正弦波振荡电路结构简单，电路成本低；采用锯齿波振荡电路利于电路的故障分析；采用方波振荡电路时，产生的方波经过二极管后得到半方波，半方波作为磁芯的激励可以得到较好的灵敏度；

(6)本发明的优选方案采用四阶巴特沃思带通滤波器作为第一滤波器，由于四阶巴特沃思带通滤波器总增益是各级增益的乘积，因此总的幅频响应曲线消除了峰值，使得四阶电路幅频响应的平坦部分得到扩展，选择其作为滤波电路可以对检测信号在基频范围内较好的滤除杂波。

附图说明

图1是本发明直流漏电流传感器实施例的整体结构图；

图2是本发明实施例的相敏检波器的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的直流漏电流传感器基本电路结构如图1所示，包括方波振荡电路1、二极管2、一次绕组线圈8、二次绕组线圈9、两个磁芯、带通滤波器3、仪用放大器4、相敏检波器5、低通滤波器6；一次绕组线圈8反串环绕在磁芯上，二次绕组线圈9正串环绕在磁芯上。

本发明实施例的振荡电路可以采用方波振荡电路、正弦波振荡电路和锯齿波振荡电路中的任一种，当振荡电路为方波振荡电路时，方波振荡电路1的第一输出端输出的方波信号，经过二极管2整形后获得半方波；将此半方波作为激励信号接入一次绕组线圈8对两磁芯进行激磁；同时，方波振荡电路1第二输出端输出的方波信号还为相敏检波器5提供参考信号。

待测信号I₁穿过磁芯，当I₁为零时，二次绕组线圈9两端无感应电压；当I₁不为零时，被测信号I₁产生偏磁，在二次绕组线圈9中生成感应电压，所述感应电压作为检测信号，接入到带通滤波器3进行基频滤波，输出基频信号；基频信号输入到仪用放大器4进行放大，同时降低噪声；放大后的基频信号通入相敏检波器5，相敏检波器5采用方波振荡电路1产生的方波信号作为参考信号，对基频信号进行检波，输出检波信号进入低通滤波器6进行平滑滤波得到直流信号。

由于相敏检波器5需要一个与输入信号同频的参考信号以保证其正常检波，而本发明采用半波激励双磁芯差动单元，使得相敏检波器5的输入信号正好与方波振荡电路1的输出信号同频，因此相敏检波器5的参考信号可由方波振荡电路1直接提供，从而省略倍频电路等参考信号产生电路，避免参考信号产生电路工作时对传感器的干扰，达到降低干扰，提高灵敏度的作用，还可降低传感器成本。

本实施例的直流漏电流传感器处理检测信号，将检测信号经过滤波、放大、检波和平滑滤波，获取直流信号；各单元电路以及单元电路之间的匹配，使得本传感器在保证很好的测量效果的同时，还简化了信号处理电路，降低了干扰，提高了灵敏度。

本实施例中第一滤波器采用带通滤波器3，其作用是对双磁芯二次绕组中产生的感应电压进行滤波，输出基频信号；基频指的是方波信号的频率。优选的，本实施例采用的带通滤波器为四阶巴特沃思带通滤波器，前半部分为低通滤波器，后半部分为高通滤波器；四阶巴特沃思带通滤波器的在通频带的频率响应曲线平滑，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零；其总增益是各级增益的乘积，因此总的幅频响应曲线消除了峰值使四阶电路幅频响应的平坦部分得到扩展；选择其作为滤波电路可以在基频范围内很好的滤除杂波。

本实施例中的带通滤波器3可以用低通滤波器代替，原因在于本发明提出的半波激励使得检测信号滤波频率为基波频率，对于基波利用相应频率的低通滤波器也可以达到滤波效果，采用低通滤波器则可进一步降低成本。

本实施例的仪用放大器采用运算放大器LM324AD实现，用于对第一滤波器输出的基频信号进行放大，同时降低噪声干扰。

相敏检波器是磁调制式传感器的关键部分，其作用是对放大后的基频信号进行检波。图2示出了本实施例的相敏检波器5的电路图，图2中放大器B、滤波电容C10和限流电阻R31构成过零比较器；二极管D1、限流电阻R32和场效应管Q1构成电子开关电路；放大器A、限流电阻R23、R24和反馈电阻R25、R26构成正反比例运算放大器；

图2中，A3端口为相敏检波器的输入端，与仪用放大器的输出端连接；本实施例中，相敏检波器的输入信号频率为基频，与方波振荡电路1的输出信号同频；A4端口为相敏检波器的参考信号输入端，连接方波振荡电路1的第二输出口，将方波振荡电路产生的方波信号用作相敏检波器的参考信号；A5端口为相敏检波器的信号输出端，连接第二滤波器；

相敏检波器的工作过程具体为：当二极管D1正极的控制电压为高电平时，二极管D1截止，场效应管Q1栅极G为低电平，开关管截止，相当于开关断开，此时相敏检波器为反相比例运算放大器，输入与输出信号相位相反；当二极管D1正极控制电压为低电平时，二极管D1导通，开关管Q1栅极G为高电平，开关管导通，相当于开关接通，此时，相敏检波器为同相比例运算放大器，输入与输出信号相位相同，达到检波作用。

本实施例的第二滤波器采用低通滤波器，用于对相敏检波器输出的检波信号进行平滑滤波，最终获取直流信号；其输出端口为直流信号输出端口。

本实施例中的方波振荡电路可用正弦波振荡电路或锯齿波振荡电路代替，可由用户根据需求选择；采用正弦波振荡电路时，正弦波振荡电路结构简单，电路成本低；采用锯齿波振荡电路利于电路的故障分析；采用方波振荡电路时，产生的方波经过二极管后得到的是半方波，半方波作为磁芯的激励可以得到较好的灵敏度

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于磁调制的直流漏电流传感器，其特征在于，所述直流漏电流传感器包括振荡电路、二极管、双磁芯差动单元、第一滤波器、仪用放大器、相敏检波器和第二滤波器；

所述振荡电路第一输出端连接二极管输入端，二极管的输出端连接双磁芯差动单元的输入端，第一滤波器的输入端连接双磁芯差动单元的输出端；仪用放大器的输入端连接第一滤波器的输出端；相敏检波器的第一输入端连接仪用放大器的输出端，相敏检波器的参考端连接振荡电路第二输出端；相敏检波电路的输出端连接第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端作为所述直流漏电流传感器的直流输出端口；

所述振荡电路的第一输出端输出的波形信号，经过二极管整形后获得半波；所述振荡电路的第二输出端输出的波形信号用作所述相敏检波器的参考信号，所述参考信号的频率与相敏检波器的输入信号的频率相同。

2.如权利要求1所述的直流漏电流传感器，其特征在于，所述双磁芯差动单元包括第一磁芯、第二磁芯、一次绕组线圈和二次绕组线圈；一次绕组线圈反串环绕在第一磁芯和第二磁芯上，二次绕组线圈正串环绕在第一磁芯和第二磁芯上；

所述一次绕组线圈的输入端作为双磁芯差动单元的输入端，连接二极管的输出端；一次绕组线圈的输出端接地；二次绕组的一端接地，另一端作为双磁芯差动单元的输出端，输出感应电压接入到第一滤波器。

3.如权利要求1或2所述的直流漏电传感器，其特征在于，所述相敏检波器包括依次连接的过零比较器、电子开关电路和正反相比例运算放大器。

4.如权利要求3所述的直流漏电传感器，其特征在于，所述电子开关断开时，所述相敏检波器为反相比例运算放大器，输入与输出信号相位相反；所述开关导通时，相敏检波器为正相比例运算放大器，输入与输出信号相位相同；达到对输入的基频信号进行检波的作用。

5.如权利要求1至3任一项所述的直流漏电流传感器，其特征在于，所述振荡电路为方波振荡电路、正弦波振荡电路和锯齿波振荡电路中的任一种。

6.如权利要求1或2所述的直流漏电流传感器，其特征在于，所述第一滤波器为带通滤波器或低通滤波器。

7.如权利要求1或2所述的直流漏电流传感器，其特征在于，所述第一滤波器为四阶巴特沃思带通滤波器。