CN105353190A - 一种低纹波磁调制电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低纹波磁调制电流传感器，包括单磁芯磁调制电流传感器电路和低通滤波器，其特征在于，还包括调制纹波抑制电路，所述调制纹波抑制电路串接在单磁芯磁调制电流传感器电路和低通滤波器B2之间。该调制纹波抑制电路由磁芯C2，绕组W2，单位增益反相器A2，电阻R4，高通滤波器B3以及求和电路B4构成。该调制纹波抑制电路可以有效抑制由于变压器效应感应到原边绕组WP上的调制纹波，同时可以有效抑制由于低通滤波器B2时间常数有限而在输出信号VO中产生的调制纹波。

Description

一种低纹波磁调制电流传感器
技术领域
本发明属于精密电流测量领域，尤其涉及一种低纹波磁调制电流传感器。
背景技术
单磁芯磁调制电流传感器具有结构简单、成本低廉的优点，基本原理如图1所示。在图1中，高磁导率环形磁芯C1和绕组W1构成非线性电感，该电感与比较器A1、电阻R1、R2和R3，以及稳压管限幅电路B1构成自激振荡器，其测量电流的基本原理是基于绕组W1中的激磁电流i1的平均值与原边被测电流IP1之间的线性关系，也即电阻R1上的电压v2的平均值与被测电流IP之间的线性关系，而电压v2的平均值可由低通滤波器B2滤除v2中的高频分量得到。
但现有单磁芯磁调制电流传感器存在两个主要问题。一是由于变压器效应，磁芯C1中的调制磁通将在绕组WP上感应具有调制频率谐波的纹波电压，从而对被测回路造成干扰。二是为了保证传感器的响应速度，低通滤波器B2的时间常数不能设置太大，由此带来的问题是输入信号中的高频分量不能被有效衰减，从而导致输出信号中仍然存在具有与调制频率基波及奇次谐波频率相同的高频纹波，从而引入测量误差。
发明内容
为了解决现有单磁芯磁调制电流传感器存在的主要问题，本发明提供了一种低纹波磁调制电流传感器，包括单磁芯磁调制电流传感器电路和低通滤波器，其特征在于，还包括调制纹波抑制电路，所述调制纹波抑制电路串接在单磁芯磁调制电流传感器电路和低通滤波器之间。调制纹波抑制电路用于抑制由于变压器效应在原边绕组(WP)上感应的纹波电压，以及抑制由于低通滤波器时间常数有限而在输出信号(VO)上产生的纹波电压。
根据本发明的优选实施例，单磁芯磁调制电流传感器电路由第一磁芯、第一绕组、比较器、第一电压变换电阻、第一门限电压设置电阻、第二门限电压设置电阻和稳压管限幅电路构成。
根据本发明的进一步优选实施例，调制纹波抑制电路由第二磁芯、第二绕组、单位增益反相器、第二电压变换电阻、高通滤波器和求和电路构成。
根据本发明的进一步优选实施例，第一绕组的同相端连接比较器的输出端，第一绕组的非同名端连接比较器的反相端，同时与第一电压变换电阻相连，而第一电压变换电阻的另一端接地，第一门限电压设置电阻的一端接地，另一端接比较器的同相端，同时与第二门限电压设置电阻的一端相连，而第二门限电压设置电阻的另一端接比较器的输出端，稳压管限幅电路的一端接比较器的输出端，另一端接地，单位增益反相器的输入端与比较器的输出端相连，单位增益反相器的输出端接第二绕组的同名端，第二绕组的非同名端与第二电压变换电阻的一端和高通滤波器的输入端相连，第二电压变换电阻的另一端接地，而高通滤波器的输出端连接求和电路的输入端，求和电路的另一个输入端与比较器的反相端、第一绕组的非同名端和第一电压变换电阻的非接地端相连，求和电路的输出端连接低通滤波器的输入端，而低通滤波器的输出信号即为传感器所测信号。
根据本发明的进一步优选实施例，低通滤波器包括一阶有源低通滤波器，高阶有源低通滤波器，一阶无源低通滤波器，或高阶无源低通滤波器中的任意一种。
根据本发明的进一步优选实施例，第一磁芯与第二磁芯具有相同的物理特性和几何尺寸。
根据本发明的进一步优选实施例，第一绕组与第二绕组匝数相同或者匝数不同。
根据本发明的进一步优选实施例，高通滤波器包括一阶有源高通滤波器，高阶有源高通滤波器，一阶无源高通滤波器，或高阶无源高通滤波器中的任意一种。
根据本发明的进一步优选实施例，求和电路由有源器件或无源器件构成。
根据本发明的进一步优选实施例，有源器件为运算放大器，无源器件为电阻。
通过在单磁芯磁调制电流传感器电路和低通滤波器之间串接入调制纹波抑制电路，即抑制了由于变压器效应在原边绕组WP上感应的纹波电压，而且抑制了由于低通滤波器时间常数有限而在输出信号VO上产生的纹波电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，以下将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，以下描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它实施例及其附图。
图1为现有技术单磁芯磁调制电流传感器的原理图。
图2为本发明提供的低纹波磁调制电流传感器的原理图。
图3为电流传感器不包含调制纹波抑制电路时在绕组WP上的调制纹波的频谱仿真图。
图4为电流传感器包含调制纹波抑制电路时在绕组WP上的调制纹波的频谱仿真图。
图5为电流传感器不包含高通滤波器时输出信号的调制纹波的频谱仿真图。
图6为电流传感器包含高通滤波器时输出信号的调制纹波的频谱仿真图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
图2是本发明提供的低纹波磁调制电流传感器的一个具体实施例，其基本构成是在现有单磁芯磁调制电流传感器电路的基础上增加调制纹波抑制电路，主要包括磁芯C2，绕组W2，单位增益反相器A2，电阻R4，高通滤波器B3以及求和电路B4。但需要注意的是此时原边绕组WP同时围绕磁芯C1和C2。该低纹波磁调制电流传感器整个电路的具体连接方式是：比较器A1的输出接绕组W1的同名端，绕组W1的非同名端接比较器A1的反相端，同时与电阻R1相连，而电阻R1的另一端接地。电阻R2的一端接地，另一端接运放的同相端，同时与R3的一端相连，而R3的另一端接比较器A1的输出端。稳压管限幅电路B1的一端接比较器的输出端，另一端接地。单位增益反相器A2的输入端与比较器A1的输出端相连，A2的输出端接绕组W2的同名端，绕组W2的非同名端与电阻R4的一端和高通滤波器B3的输入端相连。电阻R4的另一端接地，而高通滤波器B3的输出端接求和电路B4的输入端，求和电路B4的另一个输入端与比较器A1的反相端、绕组W1的非同名端和电阻R1的非接地端相连。求和电路B4的输出端接低通滤波器B2的输入端，而低通滤波器B2的输出VO即为所求信号。
本发明提供的低纹波磁调制电流传感器的基本测量原理与现有单磁芯磁调制电流传感器相同，不再赘述。下面主要讨论本发明提供的调制纹波抑制电路的工作原理。正常工作时，单磁芯磁调制电流传感器的比较器A1输出正负幅值对称的方波激励电压v1，从而在绕组W1中产生交变激磁电流i1激励磁芯C1至饱和，且在磁芯C1中产生交变激磁磁通Φ1。与此同时，调制纹波抑制电路的单位增益反相器A2输出与激磁电压v1幅值相同而相位相反的激磁电压v4，电压v4驱动绕组W2产生激磁电流i2激励磁芯C2至饱和，同时在磁芯C2中产生与激磁磁通Φ1相位相反的激磁磁通Φ2。如果能够设置合适的电路参数使得两个激磁电流i1和i2幅值相等而相位相反，同时选择磁特性和几何尺寸完全一致的磁芯C1和C2，那么由激磁电流i1和i2产生的激磁磁通Φ1和Φ2将会大小相等而相位相反。由于原边绕组WP同时围绕磁芯C1和C2，所以绕组WP所交链的总磁链为零，因而原边绕组WP上不产生感应电压。这就是本发明提供的调制纹波抑制电路抑制原边绕组WP中由于变压器效应引起的纹波电压的原理。但是，仅由上述电路还不能抑制由低通滤波器B2时间常数有限引起的输出信号VO的纹波电压。
输出信号VO的调制纹波可以通过加入本发明提供的高通滤波器B3和求和电路B4来抑制。基本原理是，电阻R4上的电压v5经过高通滤波器B3后的输出信号v6通过求和电路B4与电阻R1上的电压v2相加，如果电压v2和v5中的各高频分量幅值相等而相位相反，而电压v5经过高通滤波器后的输出信号v6中的高频分量不衰减，那么相加后电压v2和v6中的高频分量将彼此抵消，而电压v2中的直流和低频分量不会被衰减。但实际中电压v5和v2中的高频分量不会完全大小相等而相位相反，高通滤波器B3也无法做到无限大的时间常数，因而导致求和电路B4的输出信号v7中仍然存在一定大小的调制纹波，而该纹波可以通过原有低通滤波器B2进一步进行衰减，从而得到调制纹波更低的输出信号VO。这就是本发明提供的调制纹波抑制电路抑制由于低通滤波器B2时间常数有限引起的调制纹波的原理。
图3是无调制纹波抑制电路时绕组WP上的调制纹波的频谱仿真图。
图4是有调制纹波抑制电路时绕组WP上的调制纹波的频谱仿真图。
对比图3和图4可以看出，本发明提供的调制纹波抑制电路对于抑制由于变压器效应引起的调制纹波效果非常明显。
图5是无高通滤波器B3时输出信号VO上的调制纹波的频谱仿真图。
图6是有高通滤波器B3时输出信号VO上的调制纹波的频谱仿真图。
对比图5和图6可以看出，本发明提供的高通滤波器B3对于抑制由于低通滤波器B2时间常数有限引起的调制纹波效果非常明显。
显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种低纹波磁调制电流传感器，包括单磁芯磁调制电流传感器电路和低通滤波器，其特征在于，还包括调制纹波抑制电路，所述调制纹波抑制电路串接在单磁芯磁调制电流传感器电路和低通滤波器(B2)之间，调制纹波抑制电路用于抑制由于变压器效应在原边绕组(WP)上感应的纹波电压，以及抑制由于低通滤波器(B2)时间常数有限而在输出信号(VO)上产生的纹波电压。
2.根据权利要求1所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述单磁芯磁调制电流传感器电路由第一磁芯(C1)、第一绕组(W1)、比较器(A1)、第一电压变换电阻(R1)、第一门限电压设置电阻(R2)、第二门限电压设置电阻(R3)和稳压管限幅电路(B1)构成。
3.根据权利要求2所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述调制纹波抑制电路由第二磁芯(C2)、第二绕组(W2)、单位增益反相器(A2)、第二电压变换电阻(R4)、高通滤波器(B3)和求和电路(B4)构成。
4.根据权利要求3所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述原边绕组(WP)同时围绕第一磁芯(C1)和第二磁芯(C2)，第一绕组(W1)的同相端连接比较器(A1)的输出端，第一绕组(W1)的非同名端连接比较器(A1)的反相端，同时与第一电压变换电阻(R1)相连，而第一电压变换电阻(R1)的另一端接地，第一门限电压设置电阻(R2)的一端接地，另一端接比较器(A1)的同相端，同时与第二门限电压设置电阻(R3)的一端相连，而第二门限电压设置电阻(R3)的另一端接比较器(A1)的输出端，稳压管限幅电路(B1)的一端接比较器(A1)的输出端，另一端接地，单位增益反相器(A2)的输入端与比较器(A1)的输出端相连，单位增益反相器(A2)的输出端接第二绕组(W2)的同名端，第二绕组(W2)的非同名端与第二电压变换电阻(R4)的一端和高通滤波器(B3)的输入端相连，第二电压变换电阻(R4)的另一端接地，而高通滤波器(B3)的输出端连接求和电路(B4)的输入端，求和电路(B4)的另一个输入端与比较器(A1)的反相端、第一绕组(W1)的非同名端和第一电压变换电阻(R1)的非接地端相连，求和电路(B4)的输出端连接低通滤波器(B2)的输入端，而低通滤波器(B2)的输出(VO)即为传感器所测信号。
5.根据权利要求1所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述低通滤波器(B2)包括一阶有源低通滤波器，高阶有源低通滤波器，一阶无源低通滤波器，或高阶无源低通滤波器中的任意一种。
6.根据权利要求3所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述第一磁芯(C1)与所述第二磁芯(C2)具有相同的物理特性和几何尺寸。
7.根据权利要求3所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述第一绕组(W1)与第二绕组(W2)匝数相同或者匝数不同。
8.根据权利要求3所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述高通滤波器(B3)包括一阶有源高通滤波器，高阶有源高通滤波器，一阶无源高通滤波器，或高阶无源高通滤波器中的任意一种。
9.根据权利要求3所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述求和电路(B4)由有源器件或无源器件构成。
10.根据权利要求9所述的低纹波磁调制电流传感器，其特征在于，所述有源器件为运算放大器，无源器件为电阻。
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