CN109164287A - 一种空芯线圈交流电流传感器 - Google Patents

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吴建安
张洪瑞
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Abstract

本发明提供一种空芯线圈交流电流传感器，包括：空芯线圈；自动消零积分电路模块，包括输入电阻和输入电容、第一运算放大器、积分电容和第一自动消零电阻、第二自动消零电阻以及第一参考输入零点电阻；以及比例放大电路模块，包括第二运算放大器、第一比例电阻、第二比例电阻以及第二参考输入零点电阻。本发明采用先积分后放大的电路连接方式，有效的防止了在传感器测量脉冲电流时放大电路出现饱和的现象，同时巧妙的引入积分器自动消零电路，有效的消除积分器输出零漂和防止积分器饱和；本发明成本低、电路简单实用、精度高，频带宽，测量电流范围大的空芯线圈交流电流传感器，交流电压传感器特别适合应用于千安～万安级或高频脉冲电流的测量。

Description

一种空芯线圈交流电流传感器
技术领域
本发明属于传感器的技术领域，尤其涉及一种空芯线圈交流电流传感器。
技术背景
传感器是一种检测装置，能检测被检设备的相关信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。目前交流电流的隔离检测大多采用电流互感器，在1000A电流以内，因其工艺简单，成本低，很有优势。但当电流较大或很大时(几千安或万安级)，电流互感器的铁芯随之增大，线圈的匝数也增多，成本也就成倍增加，同时其体积也会变大、重量变重，安装难度也加大了。同时互感器有个很明显的局限性，那就是测量的频率范围窄，通常为几十～几百赫兹，过低或过高的频率，其测量精度都会变差，在高频(>1kHz)或脉冲电流时，其铁芯发热严重，不能使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、精度高、频带宽且可解决普通带铁芯的电流互感器不能用于测高频电流或千安级以上互感器成本高问题的空芯线圈交流电流传感器。
本发明提供一种空芯线圈交流电流传感器，其包括：空芯线圈，包括至少一个线圈或串联连接多个线圈；自动消零积分电路模块，包括输入电阻和提供低交流阻抗的输入电容、第一运算放大器、积分电容和第一自动消零电阻、第二自动消零电阻以及第一参考输入零点电阻；其中，空芯线圈一端接地，空芯线圈另一端与输入电阻一端连接；输入电容和第一自动消零电阻并联连接后分别与输入电阻另一端和第一运算放大器的反向输入端连接；积分电容和第二自动消零电阻并联连接后分别与第一运算放大器的反向输入端和第一运算放大器的输出端连接；第一参考输入零点电阻一端与第一运算放大器U1的正向输入端连接，第一参考输入零点电阻另一端接地；以及比例放大电路模块，包括第二运算放大器、第一比例电阻、第二比例电阻以及第二参考输入零点电阻；其中，第一比例电阻RP1和第二比例电阻R4的其中一个为可调电阻；第一比例电阻连接在第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的反向输入端之间；第二比例电阻连接在第二运算放大器的反向输入端和第二运算放大器的输出端之间；第二参考输入零点电阻一端与第二运算放大器U2的正向输入端连接，第二参考输入零点电阻另一端接地。
优选地，所述空芯线圈包括依序串联连接且形成四边形的四个线圈绕组，每个线圈绕组均是空芯线圈绕组。
优选地，所述空芯线圈固定在一外壳内；所述外壳包括：呈四边形的底板；依序连接的第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁和第四外侧壁，均垂直连接在所述底板的侧边，所述第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁和第四外侧壁以及底板围设形成第一收容空间；依序连接的第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁和第四内侧壁，均垂直连接在所述底板的内部，所述第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁、第四内侧壁以及底板围设形成第二收容空间；所述四个线圈绕组位于第一收容空间和第二收容空间之间。
优选地，其中一个线圈绕组固定在第一外侧壁和第一内侧壁之间，其中一个线圈绕组固定在第二外侧壁和第二内侧壁之间，其中一个线圈绕组固定在第三外侧壁和第三内侧壁之间，其中一个线圈绕组固定在第四外侧壁和第四内侧壁之间。
优选地，第一外侧壁的两端分布伸出第二外侧壁斜体和第四外侧壁斜体，外壳还包括与第一外侧壁一端垂直连接且抵靠在第二外侧壁的第二外侧壁主体的第一支撑板以及与第一外侧壁另一端垂直连接且抵靠在第四外侧壁的第四外侧壁主体的第二支撑板。
优选地，所述空芯线圈为圆形线圈绕组或方形线圈绕组。
优选地，所述空芯线圈固定在一外壳内；所述外壳包括：底板；固定端，垂直固定在底板一侧边；第一弧形体，与固定端两端垂直连接；以及第二空圆柱体，垂直固定在底板内部；其中，所述固定端、第一弧形体以及底板围设形成第一收容空间，第二空柱体和底板围设形成第二收容空间，第二收容空间位于第一收容空间内，所述圆形线圈绕组位于第一收容空间和第二收容空间之间。
优选地，所述第一弧形体包括第一弧形、与第一弧形一端连接且向圆形收容空间内凸设的第一凸体以及与第一弧形另一端连接且向圆形收容空间内凸设的第二凸体，第一凸体连接固定端的一端，第二凸体连接固定端的另一端；电路板的两端均设有可卡持在所述第一凸体和第二凸体内的凹槽优选地，所述空芯线圈包括依序连接且形成四边形的四个线圈绕组，每个线圈绕组均是空芯线圈绕组。
本发明成本低、精度高，频带宽，测量电流范围大的空芯线圈交流电流传感器，交流电压传感器特别适合应用于千安～万安级或高频脉冲电流的测量。本发明主要解决普通带铁芯的电流互感器不能用于测高频电流、或千安级以上互感器成本高的问题；本发明的电路简单，成本低，不受磁芯磁导率影响，一致性好；本发明采用先积分后放大的电路连接方式，有效的防止了在传感器测量脉冲电流时放大电路出现饱和的现象，同时巧妙的引入积分器自动消零电路，有效的消除积分器输出零漂和防止积分器饱和。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明予以进一步说明。
图1所示为本发明空芯线圈交流电流传感器的电路等效图；
图2所示为本发明空芯线圈交流电流传感器第一实施例的立体分解图；
图3所示为图2所示空芯线圈交流电流传感器的外壳的单独示意图；
图4所示为本发明空芯线圈交流电流传感器第二实施例的立体分解图；
图5所示为图4所示空芯线圈交流电流传感器的外壳的单独示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。
本发明一种空芯线圈交流电流传感器，属于电流隔离检测与传感领域，其基于法拉第电磁感应原理，可实现交流或脉冲电流的隔离检测。
假设有一空芯(无铁芯)线圈，其截面积为S，环形中心周长为l，空芯(无铁芯)线圈的绕线圈数为N，在线圈中心穿过一导体，导体的电流为i，则依电磁场理论，得：
磁场的磁场强度与导体中通过的电流成正比，满足安培环路定律，即：
其中：H为磁场强度。
线圈绕组中的磁感应强度B与磁场强度H呈线性关系：
其中：μ0为真空中的磁导率。
磁通量Φ为：
Φ＝BS
依电磁感应定律，得线圈绕组的感应输出电压e：
对上式进行反向积分，得正常条件下的线圈绕组的磁导率u：
可见线圈绕组的感应输出电压e经反向积分后的数值u与导体的电流i成线性关系。
如图1所示为本发明空芯线圈交流电流传感器的电路示意图，本发明空芯线圈交流电流传感器采用双电源供电，U1、U2为双电源运算放大器，通过参数的恰当设计，使U1工作于反向积分器模式，完成对W1感应输出电压的反向积分，U2工作于线性放大器模式。
本发明空芯线圈交流电流传感器包括空芯线圈W1、自动消零积分电路模块和比例放大电路模块；其中空芯线圈W1包括至少一个线圈或串联连接多个线圈；空芯线圈与自动消零积分电路模块连接，空芯线圈作为自动消零积分电路模块的信号源头，比例放大电路模块与自动消零积分电路模块连接，自动消零积分电路模块的输出作为比例放大电路模块的输入，比例放大电路模块输出空芯线圈交流电路传感器的电流。
自动消零积分电路模块包括：作为积分器的输入电阻R1和提供低交流阻抗的输入电容C1、第一运算放大器U1、积分电容C2、和用于自动消零的第一自动消零电阻R2、第二自动消零电阻R3以及第一参考输入零点电阻R5。其中，空芯线圈W1一端接地，空芯线圈W1另一端与输入电阻R1一端连接；输入电容C1和第一自动消零电阻R2并联连接后分别与输入电阻R1另一端和第一运算放大器U1的反向输入端连接；积分电容C2和第二自动消零电阻R3并联连接后分别与第一运算放大器U1的反向输入端和第一运算放大器U1的输出端连接；第一参考输入零点电阻R5一端与第一运算放大器U1的正向输入端连接，第一参考输入零点电阻R5另一端接地。
比例放大电路模块包括：第二运算放大器U2、第一比例电阻RP1、第二比例电阻R4以及第二参考输入零点电阻R6，其中第一比例电阻RP1和第二比例电阻R4的其中一个为可调电阻。其中，第一比例电阻RP1连接在第一运算放大器U1的输出端和第二运算放大器U2的反向输入端之间；第二比例电阻R4连接在第二运算放大器U2的反向输入端和第二运算放大器U2的输出端之间；第二参考输入零点电阻R6一端与第二运算放大器U2的正向输入端连接，第二参考输入零点电阻R6另一端接地。
本发明空芯线圈交流电流传感器通过第二运算放大器U2的输出端输出电流至待工作的场合。
本发明空芯线圈交流电流传感器，其测量电流范围大：理论上可从几十安到上万安，测量频率范围大：1Hz～1MHz以上，且无其它发热损耗。本发明采用先积分后放大的电路连接方式，有效的防止了在传感器测量脉冲电流时放大电路出现饱和的现象，同时巧妙的引入积分器自动消零电路，有效的消除积分器输出零漂和防止积分器饱和。
图2和图3是本发明第一实施例的结构示意图，空芯线圈为依序串联连接且形成四边形的四个线圈绕组2，每个线圈绕组均是空芯线圈绕组。
空芯线圈交流电流传感器还包括：固定四个线圈绕组2的外壳1、以及与四个线圈绕组2连接的电路板3，其中，四个线圈绕组2依序垂直连接并形成四边形状，四个线圈绕组2是空芯线圈绕组，即每个线圈绕组内都没有设置铁芯。
其中，外壳1包括呈四边形的底板11、固定在底板81侧边且作为固定端的第一外侧壁12、与第一外侧壁12垂直连接的第二外侧壁13、与第二外侧壁13垂直连接的第三外侧壁14、均与第三外侧壁14和第一外侧壁12垂直连接的第四外侧壁15、固定在底板11上且与第一外侧壁12平行设置的第一内侧壁16、与第一内侧壁16垂直连接的第二内侧壁17、与第二内侧壁17垂直连接的第三内侧壁18、均与第三内侧壁18和第一内侧壁16垂直连接的第四内侧壁19。其中，第一外侧壁12、第二外侧壁13、第三外侧壁14和第四外侧壁15依序连接且固定在底板11的侧边，第一内侧壁16、第二内侧壁17、第三内侧壁18和第四内侧壁19依序连接且固定在底板11的内部。第一外侧壁12、第二外侧壁13、第三外侧壁14、第四外侧壁15以及底板11围设形成第一收容空间，第一内侧壁16、第二内侧壁17、第三内侧壁18、第四内侧壁19以及底板11围设形成第二收容空间，第二收容空间位于第一收容空间内，四个线圈绕组2位于第一收容空间和第二收容空间之间。
即：外壳1具有位于第一收容空间和第二收容空间之间且呈封闭状的环形收容空间，电路板3位于环形收容空间内。
电路板3的中间设有与第二收容空间的表面积相同的第三收容空间31。
第二外侧壁13包括与第三外侧壁14一端垂直连接的第二外侧壁主体131以及与第二外侧壁主体131连接的第二外侧壁斜体132，第二外侧壁斜体132与第一外侧壁12连接。第四外侧壁15包括与第三外侧壁14另一端垂直连接的第四外侧壁主体151以及与第四外侧壁主体151连接的第四外侧壁斜体152，第四外侧壁斜体152与第一外侧壁12连接。
第一外侧壁12的两端分布伸出第二外侧壁斜体132和第四外侧壁斜体152，外壳1还包括与第一外侧壁12一端垂直连接且抵靠在第二外侧壁13的第二外侧壁主体131的第一支撑板121以及与第一外侧壁12另一端垂直连接且抵靠在第四外侧壁15的第四外侧壁主体151的第二支撑板(图未示)。
第一外侧壁12一端且靠近第二外侧壁斜体132的外侧设有第一安装孔123，第一外侧壁12另一端且靠近第四外侧壁斜体152的外侧设有第二安装孔124，第一安装孔123和第二安装孔124用于将外壳1固定在待需要固定的工件上。
组装时，四个线圈绕组2固定在外壳1的环形收容空间内，即：其中一个线圈绕组固定在第一外侧壁12和第一内侧壁16之间，其中一个线圈绕组固定在第二外侧壁13和第二内侧壁17之间，其中一个线圈绕组固定在第三外侧壁14和第三内侧壁18之间，其中一个线圈绕组固定在第四外侧壁15和第四内侧壁19之间。
图4和图5是本发明第二实施例的结构示意图，空芯线圈为圆形线圈绕组2(在其他实施例中，空芯线圈也可为方形线圈绕组)，空芯线圈交流电流传感器包括：固定圆形线圈绕组2的外壳1、以及设置在圆形线圈绕组2和外壳1之间的电路板3。其中，圆形线圈绕组2是空芯线圈绕组。
其中，外壳1包括底板11、垂直固定在底板11一侧边的固定端12、与固定端12两端垂直连接的第一弧形体13以及垂直固定在底板11内部的第二空圆柱体14。固定端12、第一弧形体13以及底板11围设形成第一收容空间，第二空柱体13和底板11围设形成第二收容空间，第二收容空间位于第一收容空间内，圆形线圈绕组2位于第一收容空间和第二收容空间之间。
即：外壳1具有位于第一收容空间和第二收容空间之间且呈封闭状的环形收容空间。
其中，第一弧形体13包括第一弧形131、与第一弧形131一端连接且向圆形收容空间内凸设的第一凸体132以及与第一弧形131另一端连接且向圆形收容空间内凸设的第二凸体133，第一凸体132连接固定端12的一端，第二凸体133连接固定端12的另一端。
电路板3的两端均设有凹槽31。
组装时，圆形线圈绕组2靠着第一弧形131放置在环形收容空间内，电路板2靠着固定端12放置在环形收容空间内，电路板的凹槽31分别卡持在第一凸体132和第二凸体133内。
本发明空芯线圈交流电流传感器的工作原理为：虽然第一实施例的线圈绕组包括依序连接的四个线圈绕组，实际可以等效为环形线圈绕组，即与第二实施例的圆形线圈绕组一样。
本发明成本低、精度高，频带宽，测量电流范围大的空芯线圈交流电流传感器，交流电压传感器特别适合应用于千安～万安级或高频脉冲电流的测量。本发明主要解决普通带铁芯的电流互感器不能用于测高频电流、或千安级以上互感器成本高的问题。
本发明可实现交流或脉冲电流的隔离检测；本发明的电路简单，成本低，不受磁芯磁导率影响，一致性好。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的技术构思范围内，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些改进、润饰和等同变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种空芯线圈交流电流传感器，其特征在于，其包括：
空芯线圈，包括至少一个线圈或串联连接多个线圈；
自动消零积分电路模块，包括输入电阻和提供低交流阻抗的输入电容、第一运算放大器、积分电容和第一自动消零电阻、第二自动消零电阻以及第一参考输入零点电阻；其中，空芯线圈一端接地，空芯线圈另一端与输入电阻一端连接；输入电容和第一自动消零电阻并联连接后分别与输入电阻另一端和第一运算放大器的反向输入端连接；积分电容和第二自动消零电阻并联连接后分别与第一运算放大器的反向输入端和第一运算放大器的输出端连接；第一参考输入零点电阻一端与第一运算放大器U1的正向输入端连接，第一参考输入零点电阻另一端接地；以及
比例放大电路模块，包括第二运算放大器、第一比例电阻、第二比例电阻以及第二参考输入零点电阻；其中，第一比例电阻RP1和第二比例电阻R4的其中一个为可调电阻；第一比例电阻连接在第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的反向输入端之间；第二比例电阻连接在第二运算放大器的反向输入端和第二运算放大器的输出端之间；第二参考输入零点电阻一端与第二运算放大器U2的正向输入端连接，第二参考输入零点电阻另一端接地。
2.根据权利要求1所述的空芯线圈交流电流传感器，其特征在于：所述空芯线圈包括依序串联连接且形成四边形的四个线圈绕组，每个线圈绕组均是空芯线圈绕组。
3.根据权利要求2所述的空芯线圈交流电流传感器，其特征在于：所述空芯线圈固定在一外壳内；所述外壳包括：呈四边形的底板；依序连接的第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁和第四外侧壁，均垂直连接在所述底板的侧边，所述第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁和第四外侧壁以及底板围设形成第一收容空间；依序连接的第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁和第四内侧壁，均垂直连接在所述底板的内部，所述第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁、第四内侧壁以及底板围设形成第二收容空间；所述四个线圈绕组位于第一收容空间和第二收容空间之间。
4.根据权利要求3所述的空芯线圈交流电流传感器，其特征在于：其中一个线圈绕组固定在第一外侧壁和第一内侧壁之间，其中一个线圈绕组固定在第二外侧壁和第二内侧壁之间，其中一个线圈绕组固定在第三外侧壁和第三内侧壁之间，其中一个线圈绕组固定在第四外侧壁和第四内侧壁之间。
5.根据权利要求3所述的空芯线圈交流电流传感器，其特征在于：第一外侧壁的两端分布伸出第二外侧壁斜体和第四外侧壁斜体，外壳还包括与第一外侧壁一端垂直连接且抵靠在第二外侧壁的第二外侧壁主体的第一支撑板以及与第一外侧壁另一端垂直连接且抵靠在第四外侧壁的第四外侧壁主体的第二支撑板。
6.根据权利要求1所述的空芯线圈交流电流传感器，其特征在于：所述空芯线圈为圆形线圈绕组或方形线圈绕组。
7.根据权利要求6所述的空芯线圈交流电流传感器，其特征在于：所述空芯线圈固定在一外壳内；所述外壳包括：底板；固定端，垂直固定在底板一侧边；第一弧形体，与固定端两端垂直连接；以及第二空圆柱体，垂直固定在底板内部；其中，所述固定端、第一弧形体以及底板围设形成第一收容空间，第二空柱体和底板围设形成第二收容空间，第二收容空间位于第一收容空间内，所述圆形线圈绕组位于第一收容空间和第二收容空间之间。
8.根据权利要求6所述的空芯线圈交流电流传感器，其特征在于：所述第一弧形体包括第一弧形、与第一弧形一端连接且向圆形收容空间内凸设的第一凸体以及与第一弧形另一端连接且向圆形收容空间内凸设的第二凸体，第一凸体连接固定端的一端，第二凸体连接固定端的另一端；电路板的两端均设有可卡持在所述第一凸体和第二凸体内的凹槽。
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