CN108594151A - 无磁芯电流传感器的位置误差补偿法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无磁芯电流传感器的位置误差补偿法，其包括以下步骤：将n个无磁芯的磁场传感器均匀安装在一圆形印刷电路板上，n个磁场传感器的感测方向与安培环方向相同；将n个磁场传感器的输出分别与一加法器的输入连接；所述加法器将传感器的输出电压进行叠加求和，加法器的输出与一滤波器连接；当磁场传感器数量n被确定后，需通过求解器来设计圆形印刷电路板的圆形内径和载体导体的直径的比例关系，从而限制载流导体的移动范围，从而满足测量误差的要求。

Description

无磁芯电流传感器的位置误差补偿法
技术领域
本发明具体涉及一种无磁芯电流传感器的位置误差补偿法。
背景技术
在工业应用中，非接触检测方法已经成为大多数电流测量的解决方案，这是因为其系统工艺简单和低成本。这些方案主要依赖于不同的磁场传感技术，比如霍尔效应，磁阻效应，法拉第效应等。
在现有的电流传感器中，大多数在设计时通过添加磁芯来增加磁通密度，从而提高灵敏度。而磁芯的加入限制了电流传感器的测量频带。近几年，一些无磁芯的高灵敏度线性磁场传感器被开发出来，并被用于电流测量。这些基于无磁芯电流传感器的非接触测量方法在电力测量领域引起高度兴趣，这种方法具有低功耗，测量频带宽，高灵敏度和机械灵活性被认为是传统电流传感器的改进。
由于传感器结构上不存在磁芯，磁场分布在空间中遵循Biot–Savart定律，这导致载流导线与传感器之间的位置信息的变化将导致测量误差。所以在现有的测量方法中，载流导线需与传感器平面保持垂直，且导线需被固定在阵列的中心。这些限制条件给工业应用带来了麻烦，特别是在电力测量方面。
在实际应用中，载流导线与传感器之间的位置关系是复杂且多变。因此，急需一种简单实用的方法来解决由于位置信息的变化导致的测量误差。
发明内容
本发明的目的是提出一种补偿方法来减少因位置关系变化导致的非接触电流传感器的测量误差。
本发明采用以下技术方案：一种无磁芯电流传感器的位置误差补偿法，其包括以下步骤：步骤S1：将n个无磁芯的磁场传感器均匀安装在一圆形印刷电路板上，n个无磁芯的磁场传感器的感测方向与安培环方向相同，n为不小于1的自然数；步骤S2：将n个无磁芯的磁场传感器的输出分别与一加法器的输入连接；所述加法器将传感器的输出电压进行叠加求和，加法器的输出与一滤波器连接；步骤S3：为了适应不同测量精度的需求，确定后的磁场传感器的数量n需通过本发明中提出的求解器来获取印刷电路板的圆环内径R和载流导体的直径D之间的几何比例关系x(D＝xR)，比例关系x通过一求解器进行求解。
在本发明一实施例中，步骤S1中磁场传感器内部结构为惠斯通电桥，输出形式为差分输出。
在本发明一实施例中，步骤S2中加法电路为一差分加法器，滤波器为一RC滤波器。
在本发明一实施例中，步骤S3中求解器来获取印刷电路板的圆环内径R和载流导体的直径D之间的几何比例关系x具体包括以下步骤：步骤S31：传感器的测量误差δ的求取公式如下式所示：
其中βn为载流导体在传感器平面的投影方向与圆心指向第n个传感器的方向的夹角；r为传感器到传感器平面的圆形阵列圆心的距离；v为R与r之间的固有比例系数，R＝vr；k为偏移系数即交点的偏移距离占R的比例；θn为载流导体在第n个传感器位置上产生的磁场的方向与传感器平面垂线的夹角；φn为载流导体在第n个传感器位置上产生的磁场的方向与传感器感测的磁场方向Bs的夹角；ωn为圆心到第n个传感器的连线与圆心到交点的连线在传感器平面上的夹角；步骤S32：当载流导线与圆形阵列平面存在倾角α时，交点在圆形阵列内的偏移区域将变为椭圆形；将kmax1定为椭圆长边的偏移系数范围，kmax2定为椭圆短边的偏移系数范围,αmax为倾角范围；步骤S33：求得倾角范围αmax和偏移范围kmax1、kmax2，并在获得的范围内循环取值，从而得到n个磁传感器的感测的磁场平均值Bavg；将值Bavg与无位置误差的理想值Br进行对比；若Bavg均满足，则输出x，x为D和R的比例关系；若不满足条件，改变x，再一次进入求解器。
与现有技术相比，本发明利用多个磁场传感器获取的信号加权来抵消位置误差导致的测量误差，从而提高测量精度。通过合理的选择圆环内径R和载流导体的直径D的关系从而限制载流导线的移动范围，从而使其进一步满足测量误差的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明一实施例的硬件电路原理示意图。
图3为本发明中载流导线在印刷电路板中的移动范围。
图4为本发明一实施例求解器的工作流程示意图。
图5为本发明一实施例载流导线和传感器之间位置关系示意图1。
图6为本发明一实施例载流导线和传感器之间位置关系示意图2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明一种无磁芯电流传感器的位置误差补偿法将多个无磁芯的磁场传感器均匀布置在圆形印刷电路板上(类似于安培环)，通过将各传感器感测的磁场值等比例加权从而减少因位置关系导致的测量误差从而减少因位置关系导致的测量误差，并通过在设计改变传感器阵列中圆环的内径和载流导体直径的比例关系，从而使得设计的传感器满足精度要求。具体包括以下步骤：包括以下步骤：步骤S1：将n个无磁芯的磁场传感器均匀安装在一圆形印刷电路板上，n个无磁芯的磁场传感器的感测方向与安培环方向相同，n为不小于1的自然数；步骤S2：将n个无磁芯的磁传感器的输出分别与一加法器的输入连接；所述加法器将传感器的输出电压进行叠加求和，加法器的输出与一滤波器连接；步骤S3：通过一求解器获取需要通过设计圆形印刷电路板的圆形内径R和载体导体的直径D之间的比例关系；具体通过确定的传感器数量n来估计倾角范围αmax和偏移范围kmax1、kmax2，并在获得的范围内循环取值，从而得到n个磁场传感器的感测的磁场平均值Bavg；将值Bavg与无位置误差的理想值Br进行对比；若Bavg均满足，则输出x，x为D和R的比例关系；若不满足条件，改变x，再一次进入求解器。
步骤S3中的求解器的求解结果(n≥3)被列于表1中，表1中描述了在满足不同测量精度的要求下，传感器数量n与几何比例关系x的关系。
表1
在本发明一具体实施例中，误差补偿法具体包括以下步骤：
步骤1：将n个传感器均匀安装在圆形印刷电路板上，传感器的感测方向与安培环方向相同，示意图如图1所示，在图1中举例了当传感器数量为7个时，传感器在圆形印刷电路板上的布置情况。其中1为传感器，2为安倍环，3为载流导体。
步骤2：将n个传感器的输出利用硬件电路设计进行求取总和。在硬件电路中包括n个磁场传感器，1个加法器和1个滤波器。在电路中利用加法器将传感器的输出电压进行叠加求和，并在后端电路中增加了一个滤波器，以降低噪声的干扰，硬件电路如图2所示。较佳的滤波器采用RC滤波器。
步骤3：通过上文描述的方法已经能够在一定程度内减少位置关系造成的测量误差，但还需要利用本发明设计的求解器来获取需要通过设计圆形印刷电路板的圆形内径R和载体导体的直径D，从而满足电流互感器精度要求，参数求解器如图4所示，参数含义如表1所示。初始化阶段，n,D,R将会被设置，从而会获得倾角范围αmax和偏移范围kmax1,kmax2，并在获得的范围内循环取值，从而得到多个传感器感测的磁场平均值Bavg与无位置误差的理想值Br进行对比。若所有的Bavg均满足，则输出x(D和R的比例关系)。若不满足条件，改变x，再一次进入求解器。
测量误差δ：
各参数的描述参见表2。
表2
当载流导线与圆形阵列平面存在倾角α时，交点在圆形阵列内的偏移区域将变为椭圆形。如图3所示，本发明将kmax1定为椭圆长边的偏移系数范围，kmax2定为椭圆短边的偏移系数范围,αmax为倾角范围。αmax,kmax1,kmax2被表示为:
ks为图3(b)中载流导体在椭圆长边的移动范围，能够通过下式来求解
上述实施例仅供说明本发明之用，本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化，因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴。

Claims (4)

1.一种无磁芯电流传感器的位置误差补偿法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将n个无磁芯的磁场传感器均匀安装在一个圆形印刷电路板上，n个无磁芯的磁场传感器的感测方向与安培环方向相同，安培环近似圆形，n为不小于1的自然数；
步骤S2：将n个无磁芯的磁场传感器的输出分别与一加法器的输入连接；所述加法器将传感器的输出电压进行叠加求和，加法器的输出与一滤波器连接；
步骤S3：为了适应不同测量精度的需求，确定后的磁场传感器的数量n需通过一求解器来获取印刷电路板的圆环内径R和载流导体的直径D之间的几何比例关系x，其中D＝xR。
2.根据权利要求1所述的无磁芯电流传感器的位置误差补偿法，其特征在于：步骤S1中磁场传感器内部结构为惠斯通电桥，输出形式为差分输出。
3.根据权利要求1所述的无磁芯电流传感器的位置误差补偿法，其特征在于：步骤S2中加法电路为一差分加法器，滤波器为一RC滤波器。
4.根据权利要求1所述的无磁芯电流传感器的位置误差补偿法，其特征在于：步骤S3中求解器来获取印刷电路板的圆环内径R和载流导体的直径D之间的几何比例关系x具体包括以下步骤：
步骤S31：传感器的测量误差δ的求取公式如下式所示：
其中βn为载流导体在传感器平面的投影方向与圆心指向第n个传感器的方向的夹角；r为传感器到传感器平面的圆形阵列圆心的距离；v为R与r之间的固有比例系数，R＝vr；k为偏移系数即交点的偏移距离占R的比例；θn为载流导体在第n个传感器位置上产生的磁场的方向与传感器平面垂线的夹角；φn为载流导体在第n个传感器位置上产生的磁场的方向与传感器感测的磁场方向Bs的夹角；ωn为圆心到第n个传感器的连线与圆心到交点的连线在传感器平面上的夹角；
步骤S32：当载流导线与圆形阵列平面存在倾角α时，交点在圆形阵列内的偏移区域将变为椭圆形；将kmax1定为椭圆长边的偏移系数范围，kmax2定为椭圆短边的偏移系数范围,αmax为倾角范围；αmax,kmax1,kmax2有以下公式表示：
ks为载流导体在椭圆长边的移动范围，够通过下式来求解
步骤S33：求得倾角范围αmax和偏移范围kmax1、kmax2，并在获得的范围内循环取值，从而得到n个磁传感器的感测的磁场平均值Bavg；将值Bavg与无位置误差的理想值Br进行对比；若Bavg均满足，则输出x，x为D和R的比例关系；若不满足条件，改变x，再一次进入求解器。
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