CN109100558A - 一种罗氏线圈及电流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种罗氏线圈及电流测量装置，属于电流互感器领域。本发明一种罗氏线圈包括：线圈上层、回线层与线圈下层，所述线圈上层、回线层与线圈下层均设置多个导电通孔和金属电镀物，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述线圈上层环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物斜向连接至所述环形外圈的导电通孔，所述回线层的金属电镀物围成环形镀于所述环形导电通孔中部，所述线圈下层环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物沿径向连接至所述环形外圈的导电通孔，所述金属电镀物和导电通孔形成环形线圈。本发明通过对罗氏线圈设置多层PCB板，使得罗氏线圈的厚度增加，从而增大罗氏线圈的互感系数，即输出的感应电压，进而提高线圈的灵敏系数，有利于较低幅值的电流测量。

Description

一种罗氏线圈及电流测量装置

技术领域

本发明涉及一种电流互感器，并且更具体地，涉及一种罗氏线圈及电流测量装置。

背景技术

传统进行脉冲电流测量的转换装置包括分流器和罗氏线圈(罗哥夫斯基线圈)。分流器适用于测量100kA以下脉宽较窄的脉冲电流测量；分流器为金属膜电阻，结构包括带状对折式、同轴式、盘式等，设计思路为尽可能减小-杂散电感。如果电压幅值较大、脉宽很宽或者安装位置限制，一般使用罗氏线圈作为电流转换装置；传统罗氏线圈根据电磁感应原理，漆包线绕制在绝缘骨架或者铁心上，当线圈中心电流通过时，在绕组上将产生感应电压，感应电压的幅值为互感与电流微分的乘积。

使用罗氏线圈测量脉冲电流信号时，主要误差来源为被测电流导体不是位于线圈中心和罗氏线圈绕线不均匀等，罗氏线圈的时间参数为L/R，为此自感值L直接决定了线圈的动态特性，另外分布电容R也将影响线圈的动态特性。

罗氏线圈为空心罗氏线圈，带铁心的线圈为电流互感器。罗氏线圈与电流互感器的最大区别在于：电流互感器使用了高磁导率的材料做绕线骨架，因此电流互感器的互感参数要远远大于罗氏线圈的互感参数。电流互感器具有较高的感应参数，因此可用于测量电流幅值小的信号或者电流变化率小的信号；因为，当测量电流变化率大的电流信号时，电流产生的磁场强度将会过大而引起电流互感器磁芯饱和，导致测量波形出现畸变。而在现有技术中，罗氏线圈互感参数较小，便于测量电流变化率大的电流信号，其中，电流变化率大的电流信号也称为陡脉冲。

在实现本发明对脉冲电流的测量过程中，现有技术存在如下问题：

普通罗氏线圈很难做到线圈均匀绕制、每匝线圈均匀分布绕制和每匝线圈横截面积相等，从而出现易断线及层间电容增大误差等缺点。普通罗氏线圈在工业生产中参数一致性很难保证，从而影响罗氏线圈测量电流时的特性。根据上述问题，现出现了PCB罗氏线圈。PCB罗氏线圈是通过CAD(Computer aided design，计算机辅助设计)将金属电镀物均匀布置在印刷电路板上，采用数字加工技术来保证工艺上线匝的截面积相等；这样制作出的线圈不仅克服了传统式的罗氏线圈的缺点，而且灵敏度测量精度及性能稳定度都要优于传统式的罗氏线圈，并且数控机床生产缩短加工周期、提高生产效率、同批次分布参数基本一致。

由于现有加工工艺的限制，加工的PCB板通常不能很厚，一般只有2-3毫米，所以单个线圈所产生的感应电压过小难以测量，需要几块PCB罗氏线圈串联起来使用。为了得到更高的准确度，消除外界电磁波的干扰，PCB罗氏线圈要由偶数块串联起来，相邻PCB罗氏线圈的绕线方向相反。

发明内容

本发明的目的在于针对现有PCB板罗氏线圈结构复杂、且易受环境干扰的问题，提供一种设置多层PCB板来实现金属电镀物绕制的罗氏线圈，使得罗氏线圈制作工艺简单且提高了测量精度。

根据本发明的一个方面，一种罗氏线圈，包括：线圈上层，包括第一PCB板与金属电镀物，所述第一PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物斜向连接至所述环形外圈的导电通孔；回线层，包括第二PCB板与金属电镀物，所述第二PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述金属电镀物围成圆形镀于所述第二PCB板环形导电通孔中部板面上；线圈下层，包括第三PCB板与金属电镀物，所述第三PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物径向连接至所述环形外圈的导电通孔；其中，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板所设置导电通孔一一对应，所述导电通孔位置均设置金属电镀物，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板通过所述金属电镀物进行电连接，所述金属电镀物在所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板之间形成环形线圈。

优选的，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板均设置第一输出端孔、第二输出端孔、屏蔽地孔，所述第一输出端孔、第二输出端孔、屏蔽地孔均设置金属电镀物，所述金属电镀物所形成环形线圈的一端连接所述第一PCB板的第一输出端孔，另一端连接所述第二PCB板的第二输出端孔。

优选的，所述罗氏线圈还包括上屏蔽层与下屏蔽层，所述上屏蔽层与所述下屏蔽层包覆于所述线圈上层、回线层和线圈下层构成的整体的外部，用于进行磁屏蔽和电屏蔽。

优选的，所述罗氏线圈还包括可拆卸绝缘固定件，用于将被测导体固定于所述罗氏线圈中部。

优选的，所述罗氏线圈还包括偶数个过孔层，在所述线圈上层与所述回线层之间、所述回线层与线圈下层之间等数量设置所述过孔层，用于增加线圈厚度。

根据本发明的另一个方面，一种电流测量装置包括上述权利要求所述罗氏线圈。

优选的，一种电流测量还包括：信号处理模块，与所述罗氏线圈通过同轴测量电缆连接，用于测量数据的采集以及所述测量数据的波形参数计算。

优选的，所述信号处理模块包括：数据采集单元，用于将测量数据的模拟信号转换成数字信号；计算分析单元，用于计算所述测量数据的波形的峰值和所述测量数据的波形的时间参数。

优选的，所述信号处理模块还包括积分电路，所述积分电路包括输入端与输出端，所述输入端与所述罗氏线圈连接，所述输出端与所述数据采集单元连接，用于还原被测电流信号。

优选的，所述信号处理模块还包括数字积分单元，所述数字积分单元包括输入端与输出端，所述输入端与所述数据采集单元连接，所述输出端与所述计算分析单元连接，用于还原被测电流信号。

本发明通过设置多层PCB板来增加罗氏线圈的厚度，从而增大罗氏线圈的感应电压，实现被测导体所通过电流的测量；通过金属电镀物穿过所述第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板设置的多个导电通孔，在同一半径方向的金属电镀物围成单匝线圈，多匝线圈在第一PCB板上排列成鱼骨形，这样使得金属电镀物绕制更加均匀，减少断线现象及层间电容增大误差；通过在罗氏线圈外设置屏蔽层、第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板设置屏蔽地孔，屏蔽地孔通过与屏蔽层连接，能够减少外界电场或磁场对罗氏线圈的干扰；通过设置可拆卸绝缘固定件，能够减小被测导体由于位置偏移而带来的误差。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明一实施例罗氏线圈示意图；

图2为本发明一实施例罗氏线圈三层PCB板绕线结构示意图；

图3为本发明一实施例单匝线圈结构示意图；

图4为本发明一实施例电流测量装置结构示意图；

图5为本发明一实施例积分电路位置结构示意图；

图6为本发明一实施例数字积分单元位置结构示意图；

图7为本发明一实施例电流测量装置屏蔽层结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

现有技术中，电流互感器(CT，current transformer)是应用变压器的原理(有铁心)，把原边的大电流变换成副边的小电流，然后通过I/V(电流/电压)变换，输入到ADC(Analog-to-digital converter，模数转换器)采样。罗氏线圈(Rogwski coil)利用最基本的法拉第电磁感应定律，直接在副边产生电压信号。罗氏线圈相对于普通电流互感器的好处是中部空心，即没有铁心，因此不存在铁心饱和现象，可以直接测量很大的电流，但是，正是因为其没有铁心，罗氏线圈感应出的电压信号相对于电流互感器(CT，currenttransformer)来说非常微弱，而且非常容易受到外部环境杂散磁场的影响，因此对绕制工艺的要求是很高。另外，罗氏线圈感应出来的电压信号，不能直接用作电流信号，必须要对其进行微分运算，才可以还原回电流信号。

实施例一

如图1所示，本发明实施例中一种罗氏线圈，包括：线圈上层101，包括第一PCB板与金属电镀物，所述第一PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物斜向连接至所述环形外圈的导电通孔；回线层102，包括第二PCB板与金属电镀物，所述第二PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述金属电镀物围成圆形镀于所述第二PCB板环形导电通孔中部板面上；线圈下层103，包括第三PCB板与金属电镀物，所述第三PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物径向连接至所述环形外圈的导电通孔；其中，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板所设置导电通孔一一对应，所述导电通孔位置均设置金属电镀物，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板通过所述金属电镀物进行电连接，所述金属电镀物在所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板之间形成环形线圈。

其中，所述环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物斜向连接至所述环形外圈的导电通孔具体为：导电通孔围成环形，位于该环形的内圈的导电通孔与该环形的外圈的导电通孔在半径方向一一对应，环形的内圈的导电通孔斜向连接与其相邻内圈导电通孔对应的外圈导电通孔，连接方式是通过金属电镀物来进行接触连接，通过所述技术方案能够保证金属电镀物顺次连接各个导电通孔形成环形线圈。

其中，所述金属电镀物围成圆形镀于所述第二PCB板环形导电通孔中部板面上具体为：环形的内圈的半径r₁，环形的外圈的半径r₂，金属电镀物围成圆形半径为(r₁+r₂)/2，使得金属电镀物围成圆形半径在环形的中部。

其中，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板通过所述金属电镀物在导电通孔处进行电连接。

本实施例中，所述金属电镀物在所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板上形成环形线圈横截面为矩形。本实施例中，所述金属电镀物为铜薄膜、银薄膜或金薄膜。

本发明实施例中所述罗氏线圈用于测量冲击电流。实施例罗氏线圈采用多层PCB板来实现对金属电镀物绕制，通过增大单匝线圈的半径，从而增大罗氏线圈的感应电压，以便于还原被测导体通过的电流，减小环境的干扰。

本实施例中，所述金属电镀物在所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板上形成环形线圈具体为：金属电镀物连接所述第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板对应的导电通孔，且同一半径方向的金属电镀物围成单匝线圈，多匝线圈依次顺串围成环形线圈。较佳的，所述金属电镀物于所述第一PCB板上表面镀制呈鱼骨形，如图2A所示，鱼骨形布线设计，使线圈每一匝平面与轴线平行，多匝线圈沿径向排列成圆形，是理想的罗氏线圈排列方式，金属电镀物在第一PCB板上进行单匝线圈之间过渡，过渡部分采用在单匝线圈上表面中部沿圆周方向进入下一匝线圈，这样使得金属电镀物镀制更加均匀，减少断线现象及层间电容增大误差。

作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述第一PCB板(如图2A)、第二PCB板(如图2B)、第三PCB板(如图2C)对应位置均设置第一输出端孔(111，211，311)、第二输出端孔(112，212，312)、屏蔽地孔(113，213，313)，所述第一输出端孔、第二输出端孔、屏蔽地孔均设置金属电镀物，所述金属电镀物所形成环形线圈一端连接所述第二PCB板第二输出端孔212，且围成的圆形固定于所述第二PCB板，所述金属电镀物所形成环形线圈另一端连接所述第一PCB板第一输出端孔111。本实施例，屏蔽地孔通过与屏蔽层连接，用于减少外界电场或磁场对罗氏线圈的干扰。

作为本发明优选的实施方式，如图1所示，所述线圈上层、回线层、线圈下层中部对应位置均设置圆形导电通孔，用于放置被测导体。作为一个优选的实施方式，第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板为圆环体。本发明实施例中，罗氏线圈还包括可拆卸绝缘固定件，镶嵌于线圈上层、回线层、线圈下层中部对应位置均设置圆形导电通孔中部，用于将被测导体固定于所述罗氏线圈中部。

作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述的罗氏线圈还包括偶数个过孔层，在所述线圈上层与所述回线层之间、所述回线层与线圈下层之间等数量设置所述过孔层，用于增加线圈厚度。过孔层为偶数个，能够保证回线层处于上下线圈的正中，构成一个矩形横截面。过孔层设置导电通孔第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板所设置导电通孔一一对应。本发明通过对罗氏线圈设置多层PCB板，另外可额外增加过孔层，增大单匝线圈的高度，从而增大罗氏线圈的互感系数，即输出的感应电压，进而提高线圈的灵敏系数，有利于较低幅值的电流测量。

本发明实施例中罗氏线圈，还包括：上屏蔽层104和下屏蔽层105，所述上屏蔽层104和所述下屏蔽层105包覆于所述线圈上层、回线层、线圈下层构成的整体的外部，用于进行磁屏蔽和电屏蔽。优选的，所述上屏蔽层104与所述下屏蔽层105由多层金属薄膜涂胶之后高温压接而成，所述多层金属薄膜最内层为铜薄膜，最外层为钢薄膜。其中，上屏蔽层104和下屏蔽层105均设置屏蔽地孔(411，511)，屏蔽地孔(411，511)镀制金属电镀物，用于和所述线圈上层、回线层、线圈下层连接。

本发明实施例中罗氏线圈能够实现多层PCB板一体成型，使得制作工艺简单且测量精度大大提高。

实施例二

基于实施例一，如图4所示，本发明实施例一种电流测量装置，包括实施例一所述罗氏线圈001。其中，还包括：信号处理模块002，与所述罗氏线圈001通过同轴测量电缆连接，用于测量数据的采集以及所述测量数据的波形参数计算。

本实施例中，如图5和图6所示，信号处理模块002包括：数据采集单元023，用于将测量数据的模拟信号转换成数字信号，便于分析和计算；计算分析单元024，用于计算所述测量数据的波形的峰值和所述测量数据的波形的时间参数。

作为一个优选的实施方式，如图5所示，所述信号处理模块002还包括积分电路021，所述积分电路021包括输入端与输出端，所述输入端与所述罗氏线圈001连接，所述输出端与所述数据采集单元023连接，用于还原被测电流信号。优选的，积分电路021与数据采集单元023通过同轴电缆022连接，其中，同轴电缆022为双层屏蔽同轴电缆。当然，采用同轴电缆来进行电路连接只是本发明一个优选的实施方式，其它能够进行电信号传输的导电介质也可以替代同轴电缆来进行电路连接。

作为一个优选的实施方式，数据采集单元023连接隔离电源025，隔离电源025用于消除电源对信号处理模块002的干扰。

由于线圈输出电压与电流的微分信号成正比，为了还原被测电流信号，需要加入积分电路。积分电路分为自积分和外积分方式，当测量电流较小时可采用自积分方式，仅限制下限频率。如果被测电流较大时宜采用外积分方式，下限频率受到积分电路的影响，上限频率受到线圈自感和匝间电容的影响。

作为一个优选的实施方式，如图6所示，所述信号处理模块002还包括数字积分单元026，所述数字积分单元026包括输入端与输出端，所述输入端与所述数据采集单元023连接，所述输出端与所述计算分析单元024连接，用于还原被测电流信号。优选的，数据采集单元023与罗氏线圈001通过同轴电缆022连接，其中，同轴电缆022为双层屏蔽同轴电缆。作为一个优选的实施方式，数据采集单元023连接隔离电源025，隔离电源025用于消除电源对信号处理模块002的干扰。

作为本发明优选的实施方式，一种电流测量装置还包括：可拆卸绝缘固定件，用于将被测导体固定于所述罗氏线圈中部。可拆卸绝缘固定件使得被测导体固定于所述罗氏线圈中部来减小被测导体因位置偏移而带来的误差。

实施例三

如图7所示，本发明一个具体的实施例，被测金属电镀物中流过电流i(t)，罗氏线圈11中产生感应电压，通过积分电路对感应电压进行积分后，再通过第二PCB板第二输出端孔输出至同轴电缆，再通过同轴电缆(31、32、33)将所述积分后的感应电压传输至数据采集单元41。为了减少外界电场或磁场对感应电压的影响，罗氏线圈11外采用了屏蔽层12，同轴电缆芯线31外设置两层屏蔽层：电缆外层屏蔽层33、电缆内层屏蔽层32，电缆外层屏蔽层33与屏蔽层12连接，数据采集单元41外设置数据采集单元屏蔽机箱43，数据采集单元屏蔽机箱43与电缆外层屏蔽层33连接。电源6通过隔离变压器52、以及滤波器51之后给数据采集单元供电。滤波器51和隔离变压器52能够减少电源对检测到的感应电压的干扰。匹配电阻42连接同轴电缆31末端，用于消除感应电压在同轴电缆(31、32、33)中的折反射。

本发明旨在提供一种罗氏线圈及电流测量装置，通过设置多层PCB板来增加罗氏线圈的厚度，从而增大罗氏线圈的感应电压，实现被测导体所通过电流的测量；通过金属电镀物穿过所述第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板设置的多个导电通孔，在同一半径方向的金属电镀物围成单匝线圈，多匝线圈在第一PCB板上排列成鱼骨形，这样使得金属电镀物绕制更加均匀，减少断线现象及层间电容增大误差；通过在罗氏线圈外设置屏蔽层、第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板设置屏蔽地孔，屏蔽地孔通过与屏蔽层连接，能够减少外界电场或磁场对罗氏线圈的干扰；通过设置可拆卸绝缘固定件，能够减小被测导体由于位置偏移而带来的误差。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种罗氏线圈，其特征在于，包括：

线圈上层，包括第一PCB板与金属电镀物，所述第一PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物斜向连接至所述环形外圈的导电通孔；

回线层，包括第二PCB板与金属电镀物，所述第二PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述金属电镀物围成环形镀于所述第二PCB板环形导电通孔中部板面上；

线圈下层，包括第三PCB板与金属电镀物，所述第三PCB板设置多个导电通孔，所述多个导电通孔均匀排布、沿半径方向对齐形成环形，所述环形内圈的导电通孔通过所述金属电镀物径向连接至所述环形外圈的导电通孔；

其中，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板所设置导电通孔一一对应，所述导电通孔位置均设置金属电镀物，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板通过所述金属电镀物进行电连接，所述金属电镀物在所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板之间形成环形线圈。

2.根据权利要求1所述的罗氏线圈，其中，所述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板均设置第一输出端孔、第二输出端孔、屏蔽地孔，所述第一输出端孔、第二输出端孔、屏蔽地孔均设置金属电镀物，所述金属电镀物所形成环形线圈的一端连接所述第一PCB板的第一输出端孔，另一端连接所述第二PCB板的第二输出端孔。

3.根据权利要求1所述的罗氏线圈，还包括上屏蔽层与下屏蔽层，所述上屏蔽层与所述下屏蔽层包覆于所述线圈上层、回线层和线圈下层构成的整体的外部，用于进行磁屏蔽和电屏蔽。

4.根据权利要求1所述的罗氏线圈，还包括可拆卸绝缘固定件，用于将被测导体固定于所述罗氏线圈中部。

5.根据权利要求1所述的罗氏线圈，还包括偶数个过孔层，所述过孔层，在所述线圈上层与所述回线层之间、所述回线层与线圈下层之间等数量设置所述过孔层，用于增加所述环形线圈厚度。

6.一种电流测量装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述罗氏线圈。

7.根据权利要求7所述的装置，还包括：信号处理模块，与所述罗氏线圈通过同轴测量电缆连接，用于测量数据的采集以及所述测量数据的波形参数计算。

8.根据权利要求8所述的装置，其中，所述信号处理模块包括：数据采集单元，用于将测量数据的模拟信号转换成数字信号；计算分析单元，用于计算所述测量数据的波形的峰值和所述测量数据的波形的时间参数。

9.根据权利要求9所述的装置，其中，所述信号处理模块还包括积分电路，所述积分电路输入端与所述罗氏线圈连接，所述积分电路输出端与所述数据采集单元连接，用于还原被测电流信号。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述信号处理模块还包括数字积分单元，所述数字积分单元输入端与所述数据采集单元连接，所述数字积分单元输出端与所述计算分析单元连接，用于还原被测电流信号。