CN109813951A - 一种电流传感器频响带宽测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流传感器频响带宽测量装置及方法，其中，所述装置包括：依次连接的一充电单元、一电能存储单元、一电流波形产生单元、一电流传感器、一电压采样单元和一中央处理单元，其中，所述电能存储单元通过一电压检测单元与所述中央处理单元连接，且该中央处理单元还与所述充电单元连接；所述方法包括：利用方波、脉冲波、多谐波等作为输入电流传感器的被测电流信号，并利用电流传感器的输出信号衡量电流传感器的频响带宽特性。本发明明显降低了测量评估电流传感器频响和带宽特性的难度，实用方便，结果可靠，值得推广。

Description

一种电流传感器频响带宽测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电流传感器频响带宽测量装置及方法。

背景技术

电流传感器广泛用于发电、变电、输电、配电和用电的线路中，各种用电场合的电流大小十分悬殊，从几安到几万安不等，而且既有直流电流测量需求，也有交流电流测量需求，还有高频电流测量需求。因此，将不同量级的电流按照比例转换为比较统一的电压，既方便测量，又方便控制，还有利于采取保护。尤其，隔离式电流传感器不仅降低了直接测量高电压线路带来了风险，而且还降低了实际操作的危险性，提高了隔离式电流传感器的使用率。

随着国民生产生活的不断进步和环保意识的逐步加强，电能质量的精确测量提上日程。如何准确的测量电流获得更真实的电流信息成了工业用电、民用用电等行业迫切需要解决的课题。用不同频率的正弦电流信号当作被测电流，通过考察电流传感器的输出信号是电流传感器的频响和带宽特性评估的常用的传统方法。传统的电流传感器频响带宽测量评估通常需要有初级额定输入电流源、次级输出测量设备，其中额定输入电流源需要能在不同频率点提供额定的准确电流以被测量。根据每一频率点，电流传感器的输出与被测电流的比值来确定电流传感器的频响带宽。因此，该传统方式对变频率的正弦电流源提出较高的要求，尤其，在电流传感器有较大量程时，对大幅值高频电流源的要求严重限制了电流传感器频响和带宽的评估工作。

总的来说，传统的电流传感器的频响和带宽的评估方法的主要不足如下：

1、需要有高准确度大容量且频率连续可宽范围调节的电流源，否则不能满足电流传感器的满量程频响带宽的评估；

2、事实上，精确的高频大电流电源在制作和实现方面会有较大的难度和较高的成本；

3、每频率点逐点测试，耗时耗力，增加了测试评估成本；

4、忽略了飞速发展的数字信号和数字信息处理技术；等等。

鉴于传统方法测量电流传感器频响带宽的以上诸多不足，目前需要对电流传感器频响带宽的测量技术进行改进。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题并发挥数字信号在信息比对方面的优势，本发明旨在提供一种电流传感器频响带宽测量装置及方法，以降低测量评估电流传感器频响和带宽特性的难度和成本。

本发明之一所述的一种电流传感器频响带宽测量装置，其包括：依次连接的一充电单元、一电能存储单元、一电流波形产生单元、一电流传感器、一电压采样单元和一中央处理单元，其中，所述电能存储单元通过一电压检测单元与所述中央处理单元连接，且该中央处理单元还与所述充电单元连接，其中：

所述中央处理单元配置为：一方面控制所述充电单元为电能存储单元充电，并在充电完成后控制所述电能存储单元向电流波形产生单元供电，并使该电流波形产生单元产生方波、脉冲波或多谐波电流作为输入所述电流传感器的被测电流信号，另一方面根据所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息，并根据所述电压采样单元从电流传感器采集到的信号，计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息，最后比对所述被测电流信号的频率幅值和相位信息与所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息，以确定所述电流传感器的频响和带宽特性。

在上述的电流传感器频响带宽测量装置中，所述中央处理单元进一步配置为：接收所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压值，并将该电压值与一预设的电压阈值比较，若该电压值小于所述电压阈值，则控制所述充电单元为电能存储单元充电，直至该电压值达到所述电压阈值后，控制所述充电单元停止为电能存储单元充电。

在上述的电流传感器频响带宽测量装置中，所述中央处理单元进一步配置为：根据所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，通过FFT计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息，并根据所述电压采样单元从电流传感器采集到的信号，通过FFT计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息。

在上述的电流传感器频响带宽测量装置中，所述充电单元包括：相连的一可控稳压电源以及一第一开关，其中，所述第一开关与所述中央处理单元连接，以由该中央处理单元控制该第一开关的开通和关断。

在上述的电流传感器频响带宽测量装置中，所述电能存储单元包括一储能电容器。

在上述的电流传感器频响带宽测量装置中，所述电流波形产生单元包括：一第二开关，其与所述中央处理单元连接，以由该中央处理单元控制该第二开关的开通和关断。

本发明之二所述的一种电流传感器频响带宽测量方法，其包括以下步骤：

步骤S0，提供如上所述的电流传感器频响带宽测量装置；

步骤S1，所述中央处理单元控制充电单元为电能存储单元充电；

步骤S2，在充电完成后，所述中央处理单元控制电能存储单元向电流波形产生单元供电，并使该电流波形产生单元产生方波、脉冲波或多谐波电流作为输入所述电流传感器的被测电流信号；

步骤S3，所述中央处理单元根据电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息；

步骤S4，所述中央处理单元根据电压采样单元从电流传感器采集到的信号，计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息；

步骤S5，所述中央处理单元比对被测电流信号的频率幅值和相位信息与所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息，以确定所述电流传感器的频响和带宽特性。

在上述的电流传感器频响带宽测量方法中，所述步骤S1包括：所述中央处理单元接收所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压值，并将该电压值与一预设的电压阈值比较，若该电压值小于所述电压阈值，则控制所述充电单元为电能存储单元充电，直至该电压值达到所述电压阈值后，控制所述充电单元停止为电能存储单元充电。

进一步地，在所述步骤S2中，所述中央处理单元控制电流波形产生单元产生多个周期的方波、脉冲波或多谐波电流作为输入所述电流传感器的被测电流信号。

在上述的电流传感器频响带宽测量方法中，所述步骤S3包括：根据所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，通过FFT计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息。

在上述的电流传感器频响带宽测量方法中，所述步骤S4包括：根据所述电压采样单元从电流传感器采集到的信号，通过FFT计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用电容器脉冲放电来产生需要的频率丰富的被测电流信号，例如采用方波、脉冲或多谐波电流作为电流传感器的输入信号，并且利用高速数据采样和FFT原理获得被测电流信号经过电流传感器变换之后的输出信号，最后通过比对输入电流信号与电流传感器的输出信号的多个频率分量的幅值和相位获得电流传感器的频响特性和带宽特性。本发明明显降低了测量评估电流传感器频响和带宽特性的难度，实用方便，结果可靠，值得推广。

附图说明

图1是本发明之一的一种电流传感器频响带宽测量装置的结构框图；

图2是本发明之一的一种电流传感器频响带宽测量装置中充电单元、电能存储单元和电流波形产生单元的结构示意图；

图3是图2中开关器件的控制信号的波形图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1、2所示，本发明之一，即一种电流传感器频响带宽测量装置，包括：依次连接的充电单元1、电能存储单元2、电流波形产生单元3、电流传感器4、电压采样单元5和中央处理单元6，其中，电能存储单元2通过电压检测单元7与中央处理单元6连接，且该中央处理单元6还与充电单元1连接。

在正常工作状态下，电压检测单元7首先检测电能存储单元2的电压并提供至中央处理单元6，当其电压低于设定值时，中央处理单元6向充电单元1发出充电指令以使其向电能存储单元2充电，同时关闭电流波形产生单元3(即，关闭电容器的放电电路)，直到电压检测单元7检测到电能存储单元2的电压到达设定值，则中央处理单元6向充电单元1发出停止充电指令，以使稳定的电压源不再继续向电能存储单元2充电，并向电流波形产生单元3发出指令，从而开通电容器的放电电路，使电流波形产生单元3根据电能存储单元2释放的电能开始产生方波、脉冲或多谐波等被测电流信号。同时，中央处理单元6开始通过电压检测单元7精确检测电能存储单元2的电压变化和电压变化时间，以便利用公式I＝ΔU×C/ΔT计算被测电流信号的幅值，并通过FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)分析出被测电流信号(I)的频率幅值和相位信息(简记：信息1)。与此同时，电压采样单元5将电流传感器4输出的与被测电流信号等比例的电压信号转换为数字信号，并送入中央处理单元6中进行FFT计算，以获得电流传感器4的输出信号的各频率幅值和相位信息(简记：信息2)。最后，中央处理单元6比对信息1与信息2，并根据幅值下降3dB的原则，输出电流传感器4的频响和带宽特性。

为了适应测量不同量程的电流传感器4，充电单元1、电能存储单元2和电流波形产生单元3的具体实施方式可如图2所示，其中，

充电单元1包括：相连的可控稳压电源10和电容器充电控制电路，其中，可控稳压电源10可以在测试过程中根据被测电流信号的幅值要求进行输出电压的调节，以满足被测电流信号的产生需要；电容器充电控制电路在本实施例包括第一开关T1，且第一开关T1的一端与可控稳压电源10连接；

电能存储单元2包括：依次连接在第一开关T1的另一端与地之间的理想储能电容器C及其等效串联电阻r，其中，理想储能电容器C的电容容量已知；

电流波形产生单元3包括：由第二开关T2以及其他器件(例如半导体开关管和导线等)组成的电容器放电控制电路，该电流波形产生单元3是利用电容的放电来实现电流波形产生的，具体实现方式是通过接通第二开关T2，实现理想储能电容器C极短时间短路，从而形成电流信号；在本实施例中，该电容器放电控制电路采用极低阻抗和感抗结构，以保证在电容器放电产生波形电流几乎无延迟且电流波形的上升沿和下降沿斜率趋向无穷大；在此采用电路等效电阻R表示半导体开关管和导线等其他器件，且第二开关T2的一端连接至理想储能电容器C与第一开关T1相连的一端，其另一端与电路等效电阻R的一端连接，该电路等效电阻R的另一端接地；

另外，在图2中，CT表示电流传感器4，Rs为电流传感器4输出的取样电阻。

上述第一开关T1和第二开关T2的开通和关断均由中央处理单元6控制，由此通过中央处理单元6能够重复开通充、放电指令，形成固定的电容器充、放电周期，产生固定周期的方波、脉冲、多谐波被测电流，并且，可以根据需要调整电容器的充电时间、放电时间和被测电流的波形的周期。

本发明利用电容器容量大、放电电流大的特点，通过测量被测电流信号产生过程中电容器电压的变化情况，准确计算放电电流，亦即被测电流信号。假设电容器的电压变化为ΔU，电容器的容量值为C，放电时间为ΔT，且放电回路为阻性负载，则放电电流的幅值，亦即被测电流信号的幅值I可以表示为I＝ΔU×C/ΔT，通过中央处理单元6对其进行FFT计算，即可获得放电电流的各频率幅值和相位信息(信息1)。由于电容器两端的电压不能突变，相应地，电容器两端的噪声电压会显著降低，因此更有利于准确测量其放电时的电压变化，从而获得准确的放电电流计算值。在电流传感器4正常工作且被测电流信号存在的情况下，电流传感器4的输出端获得相应的与被测电流信号成比例的转换电压。本发明利用高精度的高速数字采样卡(如图2所示)作为电压采样单元5采集电流传感器4输出的电压信号并形成数字信号，然后输入中央处理单元6中进行FFT分析，从而获得与电流传感器4输出的电压信号对应的频率幅值和相位信息(信息2)，比对以上的输入和输出幅值和相位信息1、2，即可以知道电流传感器的频响带宽特性。

同时，在上述过程中，由于FFT的计算精度与数据的采样点数有关，因此，本发明利用中央处理单元6重复发送前述指令，以使电流波形产生单元3形成周期的方波、脉冲或多谐波等被测电流信号，其中，通过中央处理单元6向第一、第二开关T1、T2提供的开通和关断控制信号如图3所示。这样，对于数字信号的处理可以接近于周期信号，从而能够更精确地获得信息1与信息2的比对结果，最终获得电流传感器频响和带宽的精确评估值。

另外，众所周知，方波、脉冲或多谐波电流信号包含丰富的频率成分，利用这种特性，可以替代现有技术中的频率可调幅值可调的电流源，而且产生方波、脉冲或多谐波电流信号的电流波形产生单元3的电路结构简单。同时，在本发明中，方波、脉冲或多谐波电流源采用大容量电容器放电的方式实现，即，通过电能存储单元2的电容器向电流波形产生单元3释放电能，从而降低了电流信源的难度。而且，由于电容器放电电流只和放电电路支路的电阻有关，因此，还可以通过半导体开关管并联可以降低放电支路的电阻，从而使得方波、脉冲或多谐波电流的产生电路简单可靠。

基于上述电流传感器频响带宽测量装置，本发明之二，即一种电流传感器频响带宽测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，中央处理单元6控制充电单元1为电能存储单元2充电；具体来说，中央处理单元6接收电压检测单元7检测到的电能存储单元2的电压值，并将该电压值与预设的电压阈值比较，若该电压值小于电压阈值，则控制充电单元1为电能存储单元2充电，直至该电压值达到电压阈值后，控制充电单元1停止为电能存储单元2充电；

步骤S2，在充电完成后，中央处理单元6控制电能存储单元2向电流波形产生单元3供电，并通过控制第二开关T2的重复开通以使该电流波形产生单元产生多个周期的方波、脉冲波或多谐波电流作为输入电流传感器4的被测电流信号(由此提高FFT分析结果的精度)；

步骤S3，中央处理单元6根据电压检测单元7检测到的电能存储单元2的电压变化值和电压变化时间，通过FFT计算获得被测电流信号的频率幅值和相位信息；

步骤S4，中央处理单元6根据电压采样单元5从电流传感器4采集到的信号，通过FFT计算获得电流传感器4的输出信号的频率幅值和相位信息；

步骤S5，中央处理单元6比对被测电流信号的频率幅值和相位信息与电流传感器4的输出信号的频率幅值和相位信息，以确定电流传感器4的频响和带宽特性。

综上所述，本发明旨在降低电流传感器频响、带宽的测量评估难度，为此巧妙的利用了方波、脉冲或多谐波等电流信号具有丰富频率成分的特性，利用FFT分析、数字信号技术、数字信息处理技术巧妙的解决了被测电流信号源的问题，不仅能宽频域范围测试，还能宽量程测试，而且被测电流源的损耗功率相对较小。具体来说，本发明具有以下优点：

1、本发明操作简单，概念性强，计算方便；在被测电流产生方面，采用了电容器放电的方法，简化了电流信号源，降低了电流信号的输出功率和损耗功率；按照电学知识获得在工作状态时电流信号源的电流信号频谱，利用了成熟的FFT技术获得电流传感器的被测电流的信号频率特征。

2、本发明降低了电流传感器频响和带宽测试的工作强度，避免了正弦波电流源需要各频点进行测量的重复操作。

3、本发明充分利用了现有的成熟的数字信息处理技术，通过比对数字信息的差异获得电流传感器的频响和带宽特性，便于计算机程序实现，为自动化测试奠定基础。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (11)

1.一种电流传感器频响带宽测量装置，其特征在于，所述装置包括：依次连接的一充电单元、一电能存储单元、一电流波形产生单元、一电流传感器、一电压采样单元和一中央处理单元，其中，所述电能存储单元通过一电压检测单元与所述中央处理单元连接，且该中央处理单元还与所述充电单元连接，其中：

所述中央处理单元配置为：一方面控制所述充电单元为电能存储单元充电，并在充电完成后控制所述电能存储单元向电流波形产生单元供电，并使该电流波形产生单元产生方波、脉冲波或多谐波电流作为输入所述电流传感器的被测电流信号，另一方面根据所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息，并根据所述电压采样单元从电流传感器采集到的信号，计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息，最后比对所述被测电流信号的频率幅值和相位信息与所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息，以确定所述电流传感器的频响和带宽特性。

2.根据权利要求1所述的电流传感器频响带宽测量装置，其特征在于，所述中央处理单元进一步配置为：接收所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压值，并将该电压值与一预设的电压阈值比较，若该电压值小于所述电压阈值，则控制所述充电单元为电能存储单元充电，直至该电压值达到所述电压阈值后，控制所述充电单元停止为电能存储单元充电。

3.根据权利要求1所述的电流传感器频响带宽测量装置，其特征在于，所述中央处理单元进一步配置为：根据所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，通过FFT计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息，并根据所述电压采样单元从电流传感器采集到的信号，通过FFT计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息。

4.根据权利要求1所述的电流传感器频响带宽测量装置，其特征在于，所述充电单元包括：相连的一可控稳压电源以及一第一开关，其中，所述第一开关与所述中央处理单元连接，以由该中央处理单元控制该第一开关的开通和关断。

5.根据权利要求1所述的电流传感器频响带宽测量装置，其特征在于，所述电能存储单元包括一储能电容器。

6.根据权利要求1所述的电流传感器频响带宽测量装置，其特征在于，所述电流波形产生单元包括：一第二开关，其与所述中央处理单元连接，以由该中央处理单元控制该第二开关的开通和关断。

7.一种电流传感器频响带宽测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S0，提供如权利要求1-6中任意一项所述的电流传感器频响带宽测量装置；

步骤S1，所述中央处理单元控制充电单元为电能存储单元充电；

步骤S2，在充电完成后，所述中央处理单元控制电能存储单元向电流波形产生单元供电，并使该电流波形产生单元产生方波、脉冲波或多谐波电流作为输入所述电流传感器的被测电流信号；

步骤S3，所述中央处理单元根据电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息；

步骤S4，所述中央处理单元根据电压采样单元从电流传感器采集到的信号，计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息；

步骤S5，所述中央处理单元比对被测电流信号的频率幅值和相位信息与所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息，以确定所述电流传感器的频响和带宽特性。

8.根据权利要求7所述的电流传感器频响带宽测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：所述中央处理单元接收电压检测单元检测到的电能存储单元的电压值，并将该电压值与一预设的电压阈值比较，若该电压值小于所述电压阈值，则控制所述充电单元为电能存储单元充电，直至该电压值达到所述电压阈值后，控制所述充电单元停止为电能存储单元充电。

9.根据权利要求7所述的电流传感器频响带宽测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述中央处理单元控制电流波形产生单元产生多个周期的方波、脉冲波或多谐波电流作为输入所述电流传感器的被测电流信号。

10.根据权利要求7所述的电流传感器频响带宽测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：根据所述电压检测单元检测到的电能存储单元的电压变化值和电压变化时间，通过FFT计算获得所述被测电流信号的频率幅值和相位信息。

11.根据权利要求7所述的电流传感器频响带宽测量方法，其特征在于，所述步骤S4包括：根据所述电压采样单元从电流传感器采集到的信号，通过FFT计算获得所述电流传感器的输出信号的频率幅值和相位信息。