CN110133355A - 一种磁调制电流传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁调制电流传感器，包括：第一磁芯、第二磁芯和第三磁芯，分别绕制在第一磁芯和第二磁芯的第一线圈和第二线圈；绕制在第三磁芯或整体磁芯上的辅助线圈；绕制在整体磁芯上的初级线圈和次级线圈；与第一线圈和第二线圈的输入端均连接的激励信号发生单元；和输入端与第二线圈和辅助线圈相连，输出端与次级线圈连接的电流补偿单元；第一磁芯和第二磁芯的等效单匝电感量一致，且第三磁芯的等效单匝电感量大于第一磁芯和第二磁芯。本发明的磁调制电流传感器根据调制信号的变压器模型，通过使第三磁芯的等效单匝电感量大于第一和第二磁芯，增大了次级绕组的等效滤波电感值，提高了激励噪声的滤波效应。由此抑制电流传感器的调制噪声。

Description

一种磁调制电流传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种电流传感器及其制作方法，具体涉及一种磁调制电流传感器及其制作方法。
背景技术
高精度的交直流电流传感器(DCCT)由于其测量精度高、频带宽、电气隔离等特点，广泛应用于加速器、医疗、科研、测量等多个领域，具有广泛的应用前景。在直流输电系统、变频调速装置、UPS电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、加速器运行、电网监控系统和需要隔离检测电流的各个领域中，精确检测和控制直流电流，是设备安全可靠运行的根本保证和首先要解决的问题。
磁调制器最早应用于20世纪30年代的磁通门磁强计和直流小信号放大器中。国内对磁调制器理论研究始于20世纪70年代，中国计量科学研究院对磁调制技术了做了系统的理论分析，建模，分析计算了各种激励条件下的灵敏度，并讨论了相敏解调及峰差解调原理，给出了双磁调制器的实体概念。奠定了国内磁调制技术的理论基础，给出了磁调制器的传输特性和整体线路模型，简要分析了磁调制的噪声和零点误差。
基于磁调制解调的零磁通的检测方案，在DCCT的次级输出端存在调制噪声。传统的方案采用磁通抵消方式，降低次级调制噪声，当交直流电流传感器(DCCT)的第一线圈和第二线圈的匝数相等时，第一磁芯和第二磁芯在激励信号作用下产生的磁通密度大小相等，方向相反，因此，在第三绕组上就不会有电压值产生。而如果第一磁芯和第二磁芯的磁特性(即，导磁率)不一致，则在激励信号作用下两个磁芯产生的磁通密度不相等，由此在第三绕组上就会有一定的电压信号产生，这个电压信号的成分主要是激励频率及其谐波，因此在磁调制峰值检波工作模式下激励噪声仍然存在，在两个激励磁芯磁特性不匹配时，激励噪声会影响DCCT的测量精度。
现有的专利申请号201610171249.8的专利公开了一种交直流电流传感器的磁芯选择方法，可以通过选择磁特性一致的第一磁芯和第二磁芯来降低调制噪声。然而，经过挑选的磁特性一致的磁芯在检测电路在有被测电流通过时还是会产生两个激励磁芯磁场的不对称，产生调制噪声。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁调制电流传感器及其制作方法，从而有效抑制磁调制电流传感器的调制噪声。
为了实现上述目的，本发明提供一种磁调制电流传感器，包括：叠放在一起以形成同一轴心的整体磁芯的第一磁芯、第二磁芯和第三磁芯，分别绕制在第一磁芯和第二磁芯上的第一线圈和第二线圈；绕制在第三磁芯或整体磁芯上的辅助线圈；绕制在整体磁芯上的初级线圈和次级线圈，该初级线圈接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈的输出端输出测得的直流电流或交流电流；一激励信号发生单元，与所述第一线圈和第二线圈的输入端均连接，分别向所述第一线圈和第二线圈提供激励电流；和一电流补偿单元，其输入端与所述第二线圈和所述辅助线圈的输出端相连，其输出端与所述次级线圈连接，向所述次级线圈输出一补偿电流；所述第一磁芯和第二磁芯的等效单匝电感量一致，且所述第三磁芯的等效单匝电感量大于所述第一磁芯和第二磁芯的等效单匝电感量。
所述次级线圈与第一线圈的匝比Ns/N1为5-10。
第一线圈和第二线圈的输入端为异名端，所述第一线圈和第二线圈的匝数相同，采用一致的绕制方法且采用同样的材质和线径的导线绕制。
所述第一磁芯和第二磁芯的尺寸一致且磁特性一致，且第三磁芯通过增大截面积，或者增大磁导率来使其等效单匝电感量大于所述第一磁芯和第二磁芯的等效单匝电感量。
所述电流补偿单元包括低频检波单元、高频耦合单元和与所述低频检波单元和所述高频耦合单元的输出端相连的功率放大单元，所述电流补偿单元通过所述低频检波单元与第二线圈的输出端连接，通过所述高频耦合单元与辅助线圈的输出端连接，并通过所述功率放大单元的输出端与所述次级线圈相连。
所述次级线圈的输出端通过一负载电阻接地，所述第一线圈和第二线圈未连接激励信号发生单元的一端分别通过一电阻接地，且所述辅助线圈一端接地。
另一方面，本发明提供一种磁调制电流传感器的制作方法，包括：
S1：提供彼此独立的第一磁芯和第二磁芯；
S2：在所述第一磁芯上绕制一第一线圈，在所述第二磁芯上绕制一第二线圈；
S3：第一线圈与第二线圈叠放后与一截面大于第一线圈和第二线圈的截面的第三磁芯叠放，形成一个整体磁芯；
S4：在所述整体磁芯上绕制初级线圈、次级线圈和辅助线圈，所述初级线圈接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈输出测得的直流电流或交流电流；
S5：采用一激励信号发生单元与所述第一线圈和第二线圈相连，并提供一电流补偿单元，将其输入端与所述第二线圈和辅助线圈的输出端相连，将其输出端与所述次级线圈相连，得到磁调制电流传感器。
在所述步骤S5中，所述电流补偿单元包括低频检波单元、高频耦合单元和与所述低频检波单元和所述高频耦合单元的输出端相连的功率放大单元，所述电流补偿单元采用其低频检波单元与第二线圈的输出端连接，采用其高频耦合单元与辅助线圈的输出端连接，并采用其功率放大单元的输出端与所述次级线圈相连。
本发明的磁调制电流传感器对调制噪声的来源和传输通路进行研究，根据调制信号的变压器模型，通过使第三个磁芯的等效单匝电感量大于第一和第二磁芯，增大了次级绕组的等效滤波电感值，提高了激励噪声的滤波效应。同时，本发明的磁调制电流传感器通过将其次级线圈与第一线圈的匝比设置为较小值，来降低第一、第二线圈与次级线圈的磁耦合，从噪声传输通道上降低激励噪声对输出的影响，由此可以抑制电流传感器的调制噪声，其激励噪声小于5ppm，达到国际同类产品先进水平。
附图说明
图1是实现本发明一种磁调制电流传感器的原理示意图；
图2是如图1所示的整体磁芯的剖面图。
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所示为根据本发明的一个实施例的磁调制电流传感器的原理图。该磁调制电流传感器可明显降低磁调制电流传感器的调制噪声，且不影响交流特性，其包括：叠放在一起以形成同一轴心的整体磁芯的第一磁芯C1、第二磁芯C2和第三磁芯C3，其中，第一磁芯C1、第二磁芯C2和第三磁芯C3上分别绕制有第一线圈L1、第二线圈L2和辅助线圈L3，整体磁芯上绕制有初级线圈Lp、次级线圈Ls，该初级线圈Lp接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈Ls的输出端通过一负载电阻Rb接地，且该输出端输出测得的直流电流或交流电流。所述第一线圈L1和第二线圈L2的输入端均与一激励信号发生单元1连接，激励信号发生单元1用于分别向所述第一线圈L1和第二线圈L2提供激励电流，第一线圈L1和第二线圈L2未连接激励信号发生单元1的一端分别通过一电阻接地。
所述第二线圈L2和所述辅助线圈L3的输出端均与一电流补偿单元相连，且该电流补偿单元的输出端与所述次级线圈Ls连接，用于向所述次级线圈Ls输出一补偿电流。其中，所述电流补偿单元包括低频检波单元2、高频耦合单元3和与所述低频检波单元2和所述高频耦合单元3的输出端相连的功率放大单元4，所述电流补偿单元通过所述低频检波单元2与第二线圈L2的输出端连接，用于在所述初级线圈Lp接收所述被测电流时，接收所述第二线圈L2上的信号并输出直流检测信号；通过所述高频耦合单元3与辅助线圈L3的输出端连接，用于在所述初级线圈Lp接收所述被测电流时，接收所述辅助线圈L3上的信号并输出交流检测信号；并通过所述功率放大单元4的输出端与所述次级线圈Ls相连。从而接收所述直流检测信号和交流检测信号，并向所述次级线圈Ls输出一补偿电流，补偿电流包括直流补偿电流和交流补偿电流。
由此，根据磁调制工作原理，如图1所示，激励信号发生单元1向形成的整体磁芯的第一线圈L1和第二线圈L2注入激励信号。根据负反馈工作原理，由低频检波单元2、高频耦合单元3和功率放大单元4组成了一个电流补偿单元，将把第二线圈L2上的信号和辅助线圈L3上的信号分别经过处理后以补偿电流的形式输出给次级线圈Ls，形成闭环工作状态的磁调制电流传感器。
如图2所示，辅助线圈L3除了缠绕在第三磁芯C3上之外，也可以缠绕在第一磁芯C1、第二磁芯C2和第三磁芯C3叠放在一起所形成的整体磁芯上。
第一磁芯C1和第二磁芯C2具有相同的物理外观和尺寸，且第一和第二磁芯C1、C2的磁特性一致，从而通过该第一磁芯和第二磁芯降低次级线圈Ls的输出激励噪声。此外，第三磁芯C3的等效单匝电感量大于所述第一磁芯C1和第二磁芯C2的等效单匝电感量。其中，该第三磁芯C3可以通过增大截面积，或者增大磁导率来使其等效单匝电感量大于所述第一磁芯C1和第二磁芯C1的等效单匝电感量。。由此，本发明通过对第三磁芯的改进，相当于增大了次级线圈Ls的等效滤波电感值，进而更好地滤除激励噪声，使得已经耦合到次级线圈Ls上的激励噪声大大降低。
第一线圈L1和第二线圈L2的输入端为异名端，第一线圈L1的匝数为N1，第二线圈L2的匝数为N2，第一线圈L1和第二线圈L2的匝数N1、N2相同，采用一致的绕制方法且采用同样的材质和线径的导线绕制。初级线圈Lp的匝数为Np，在本实施例中，Np＝1。所述次级线圈Ls的匝数为Ns，次级线圈Ls与第一线圈L1的匝比Ns/N1为5-10，远远小于现有技术中次级线圈与第一线圈的匝比。辅助线圈L3的匝数一般是次级线圈Ls的三分之一，用于对高频信号的反馈。在本发明中，由于第一磁芯和第二磁芯磁特性的不匹配引起的激励噪声电压信号，通过第一线圈L1和第二线圈L2与整体磁芯的次级线圈Ls的磁耦合，按Ns/N1的变比关系，把激励噪声信号引入到次级线圈Ls中，这是输出激励噪声的主要来源。本发明通过分析激励噪声传输通道，并根据变压器原理，通过控制次级线圈Ls与第一线圈L1的匝比Ns/N1尽可能小来使得耦合到输出端的激励噪声尽量小，同时根据匝比的大小相应地调整第三磁芯C3，使其截面大于第一、第二磁芯C2，来降低第一磁芯和第二磁芯产生的激励频率信号到整体磁芯的次级线圈Ls上的耦合，进而降低次级线圈Ls的输出激励噪声。
如图1所示，基于上文所述的磁调制电流传感器，所实现的磁调制电流传感器的调制噪声抑制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供彼此独立的第一磁芯C1和第二磁芯C2；
步骤S2：在所述第一磁芯上C1绕制一第一线圈L1，在所述第二磁芯C2上绕制一第二线圈L2；
步骤S3：第一线圈L1与第二线圈L2叠放后与一截面大于第一线圈L1和第二线圈L2的截面的第三磁芯C3叠放，形成一个整体磁芯；
步骤S4：在所述整体磁芯上绕制初级线圈Lp、次级线圈Ls和辅助线圈L3，初级线圈Lp接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈Ls输出测得的直流电流或交流电流；
步骤S5：根据磁调制工作原理，采用一激励信号发生单元1与所述第一线圈L1和第二线圈L2相连以注入激励电流，并根据负反馈工作原理，提供一电流补偿单元，将其输入端与所述第二线圈L2和辅助线圈L3的输出端相连，将其输出端与所述次级线圈Ls相连，从而使得第二线圈L2上和辅助线圈L3上的信号经过处理后以补偿电流的形式发送给次级线圈Ls，得到磁调制电流传感器。
其中，所述电流补偿单元包括低频检波单元2、高频耦合单元3和与所述低频检波单元2和所述高频耦合单元3的输出端相连的功率放大单元4，所述电流补偿单元采用其低频检波单元2与第二线圈L2的输出端连接，采用其高频耦合单元3与辅助线圈L3的输出端连接，并采用其功率放大单元4的输出端与所述次级线圈Ls相连。
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。即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 (8)

1.一种磁调制电流传感器，其特征在于，包括：
叠放在一起以形成同一轴心的整体磁芯的第一磁芯(C1)、第二磁芯(C2)和第三磁芯(C3)，
分别绕制在第一磁芯(C1)和第二磁芯(C2)上的第一线圈(L1)和第二线圈(L2)；
绕制在第三磁芯(C3)或整体磁芯上的辅助线圈(L3)；
绕制在整体磁芯上的初级线圈(Lp)和次级线圈(Ls)，该初级线圈(Lp)接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈(Ls)的输出端输出测得的直流电流或交流电流；
一激励信号发生单元(1)，与所述第一线圈(L1)和第二线圈(L2)的输入端均连接，分别向所述第一线圈(L1)和第二线圈(L2)提供激励电流；和
一电流补偿单元，其输入端与所述第二线圈(L2)和所述辅助线圈(L3)的输出端相连，其输出端与所述次级线圈(Ls)连接，向所述次级线圈(Ls)输出一补偿电流；
所述第一磁芯(C1)和第二磁芯(C2)的等效单匝电感量一致，且所述第三磁芯(C3)的等效单匝电感量大于所述第一磁芯(C1)和第二磁芯(C2)的等效单匝电感量。
2.根据权利要求1所述的一种磁调制电流传感器，其特征在于，所述次级线圈(Ls)与第一线圈(L1)的匝比Ns/N1为5-10。
3.根据权利要求1所述的一种磁调制电流传感器，其特征在于，第一线圈(L1)和第二线圈(L2)的输入端为异名端，所述第一线圈(L1)和第二线圈(L2)的匝数(N1、N2)相同，采用一致的绕制方法且采用同样的材质和线径的导线绕制。
4.根据权利要求1所述的一种磁调制电流传感器，其特征在于，所述第一磁芯(C1)和第二磁芯(C2)的尺寸一致且磁特性一致，且第三磁芯(C3)通过增大截面积，或者增大磁导率来使其等效单匝电感量大于所述第一磁芯(C1)和第二磁芯(C1)的等效单匝电感量。
5.根据权利要求1所述的一种磁调制电流传感器，其特征在于，所述电流补偿单元包括低频检波单元(2)、高频耦合单元(3)和与所述低频检波单元(2)和所述高频耦合单元(3)的输出端相连的功率放大单元(4)，所述电流补偿单元通过所述低频检波单元(2)与第二线圈(L2)的输出端连接，通过所述高频耦合单元(3)与辅助线圈(L3)的输出端连接，并通过所述功率放大单元(4)的输出端与所述次级线圈(Ls)相连。
6.根据权利要求1所述的一种磁调制电流传感器，其特征在于，所述次级线圈(Ls)的输出端通过一负载电阻(Rb)接地，所述第一线圈(L1)和第二线圈(L2)未连接激励信号发生单元(1)的一端分别通过一电阻接地，且所述辅助线圈(L3)一端接地。
7.一种磁调制电流传感器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供彼此独立的第一磁芯(C1)和第二磁芯(C2)；
步骤S2：在所述第一磁芯上(C1)绕制一第一线圈(L1)，在所述第二磁芯(C2)上绕制一第二线圈(L2)；
步骤S3：第一线圈(L1)与第二线圈(L2)叠放后与一截面大于第一线圈(L1)和第二线圈(L2)的截面的第三磁芯(C3)叠放，形成一个整体磁芯；
步骤S4：在所述整体磁芯上绕制初级线圈(Lp)、次级线圈(Ls)和辅助线圈(L3)，所述初级线圈(Lp)接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈(Ls)输出测得的直流电流或交流电流；
步骤S5：采用一激励信号发生单元(1)与所述第一线圈(L1)和第二线圈(L2)相连，并提供一电流补偿单元，将其输入端与所述第二线圈(L2)和辅助线圈(L3)的输出端相连，将其输出端与所述次级线圈(Ls)相连，得到磁调制电流传感器。
8.根据权利要求7所述的磁调制电流传感器，其特征在于，在所述步骤S5中，所述电流补偿单元包括低频检波单元(2)、高频耦合单元(3)和与所述低频检波单元(2)和所述高频耦合单元(3)的输出端相连的功率放大单元(4)，所述电流补偿单元采用其低频检波单元(2)与第二线圈(L2)的输出端连接，采用其高频耦合单元(3)与辅助线圈(L3)的输出端连接，并采用其功率放大单元(4)的输出端与所述次级线圈(Ls)相连。
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