CN111122948B - 一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置。该电流测试装置采用全封闭式金属壳体、双层波导窗、电磁密封衬垫填充接缝的屏蔽结构，在金属壳体内进行传感器输出信号数字化处理，数字化处理之后的信号进行本地存储或者光纤数据传输，同时使用激光充电，提高其抗电磁干扰性能；装置的各部件安装好之后在实验室进行系统级标定（校准），避免测试现场传感器安装引入的误差，减小了系统误差；该装置利用隧道磁阻传感器测量稳态（中低频）与罗氏线圈测量脉冲功率电流（中高频）信号相复合，实现对脉冲功率电流的全频段测试。

Description

一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置

技术领域

本发明涉及一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，具体涉及一种隧道磁阻传感器与罗氏线圈复合、光纤充电与光纤数据传输的全封闭式电流测试装置，属于电流测试技术领域。

背景技术

脉冲功率电流测试是电流测试领域的一个重要方向，准确的测试对脉冲电源技术改进、质量提升、系统安全检测具有重要的意义，涉及行业的电流测试已成为测试技术领域不可或缺的关键内容。脉冲功率电流具有频率宽、量级大等特点，测试环境中存在着复杂的电磁环境均需要合理设计，才能对脉冲功率电流准确的测试。

现今，用于电流测试的传感理论和方法就其工作原理而言，主要分为直接测试法和间接测试法。直接测试法根据电流在已知电阻上的电压降来确定电流的大小；间接测试法是以被测电流所建立的磁场为基础，电流测试间接转换成对磁场的测量。

上述两种国内外电流测试方法，主要包括电阻分流器、电流互感器、霍尔传感器、罗氏线圈（Rogowski线圈）等。电阻分流器测试需要断开测量线路的局限，做不到测试系统与被测对象的电气隔离；电流互感器受铁芯的影响，无法完成较大电流的测试；霍尔传感器容易磁饱和，测量范围小；罗氏线圈是目前主流的电流测试传感器，无磁滞效应、无磁饱和困扰、测量频率高、范围大适合脉冲电流测试，但是由于罗氏线圈是基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律来测量的，因此罗氏线圈测试实际测量不适用于测试频率过低的电流，这就导致罗氏线圈测量低频磁场数据不准确。

现有的具有低频特性的罗氏线圈对于低频电流的测量是通过电路、软件根据高频特性来对低频的信号进行还原，其测得数据的可靠性不能保证。

发明内容

本发明旨在提供一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，利用全封闭式金属壳体、双层波导窗、电磁密封衬垫填充接缝的屏蔽结构，在金属壳体内进行传感器输出信号数字化处理，数字化处理后的信号可以本地存储或者光纤数据传输，同时使用激光充电，提高其抗电磁干扰性能；装置的各部件安装好之后在实验室进行系统级标定（校准），避免测试现场传感器安装引入的误差，减小了系统误差；该装置利用隧道磁阻传感器测量稳态（中低频）与罗氏线圈测量脉冲功率电流（中高频）信号相复合，实现对脉冲功率电流的全频段测试。

隧道磁阻传感器具有一定数值的磁场线性测量范围，高灵敏度对于中小量值磁场、低频磁场测试具有良好的效果。利用隧道磁阻传感器对磁场信号的敏感反应，可以对脉冲电流产生低频磁场进行测量转换成电流值，并与罗氏线圈测得的数据进行复合处理，即利用两种传感器都能准确测量的中频段信号进行统一标定到同一量级上，取隧道磁阻传感器测试中低频段，取罗氏线圈测试中高频段完成脉冲功率电流信号全频段测试，实现隧道磁阻测试对罗氏线圈测试低频信号缺失的弥补。

本发明提供了一种隧道磁阻传感器与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，该装置是通过全封闭式的金属壳体来进行大电流产生的强电磁场的屏蔽；通过隧道磁阻传感器与罗氏线圈复合传感来实现脉冲功率电流的全频段测试；该装置由屏蔽模块、传感模块、电路模块、信号传输模块组成；

屏蔽模块包括金属壳体、罗氏线圈屏蔽壳体、第一圆形波导窗、第二圆形波导窗、第三圆形波导窗、第四圆形波导窗；全封闭式金属壳体的左端面外侧安装有第一圆形波导窗、内侧安装有第二圆形波导窗，右端面内侧安装有第四圆形波导窗、外侧安装有第三圆形波导窗，金属壳体沿轴线分为上半部与下半部，金属壳体内部贯穿一条电缆（电缆分为不同的规格，用于和外部不同规格的电缆相连），根据不同的测试需求更换相应的电缆，与外部电缆连接时使用相应规格的电缆耦合器装置，

传感模块包括隧道磁阻传感器和罗氏线圈；隧道磁阻传感器安装在固定底座上，该固定底座与金属壳体焊接；罗氏线圈套在金属壳体内部的电缆上，通过罗氏线圈屏蔽壳体和橡胶卡扣固定，所述橡胶卡扣嵌入罗氏线圈屏蔽壳体内部，罗氏线圈屏蔽壳体沿轴线分为上半部与下半部；隧道磁阻传感器与罗氏线圈间隔不小于50mm且不大于70mm安装，隧道磁阻传感器位于金属壳体的右侧，罗氏线圈位于金属壳体的左侧；

电路模块包括调理电路、光伏电池；调理电路安装于金属壳体顶部，位于隧道磁阻传感器的右侧，调理电路由差分放大模块、滤波模块、采集模块、存储模块顺序组成，在金属壳体内进行传感器输出信号数字化处理，数字化处理后的信号可以本地存储或者光纤数据传输。光伏电池给隧道磁阻传感器、罗氏线圈、调理电路供电；

信号传输模块包括光纤输入通道、激光接收发射模块、光纤输出通道；

光伏电池、散热铝片以及激光接收发射模块安装在金属壳体底部，金属壳体、罗氏线圈屏蔽壳体的上半部分、下半部分均有用于连接的螺钉安装座，金属壳体的上半部与下半部通过大螺钉安装座用大螺钉固定，罗氏线圈屏蔽壳体的上半部与下半部通过小螺钉安装座用小螺钉固定，接缝处使用电磁密封衬垫填充。接缝处使用电磁密封衬垫（电磁密封衬垫是一种表面导电的弹性物质，将缝隙填充满，消除导电不连接点，可以减少高频电磁波的泄漏）填充。

金属壳体两侧有两条光纤（左侧光纤用于激光充电，右侧光纤用于数据传输），右侧光纤连接高速数据采集设备便于监测。

所述全封闭式电流测试装置包括金属壳体以及设置于金属壳体内部左侧的罗氏线圈屏蔽壳体，罗氏线圈屏蔽壳体内部嵌有橡胶卡扣，隧道磁阻固定底座与罗氏线圈屏蔽壳体间隔不小于50mm且不大于70mm安装于金属壳体内部的顶部，隧道磁阻固定底座与金属壳体焊接，隧道磁阻传感器固定于隧道磁阻固定底座上；紧邻隧道磁阻固定底座设置有调理电路；在金属壳体内部的底部与罗氏线圈屏蔽壳体间隔不小于5mm且不大于20mm，分别设置有激光接收发射模块、散热铝片以及光伏电池（散热铝片给光伏电池散热）；

金属壳体和罗氏线圈屏蔽壳体均按轴线分为上半部与下半部；负载有电流的电缆贯穿金属壳体左壁后安装好罗氏线圈（罗氏线圈通过橡胶卡扣和罗氏线圈屏蔽壳体固定，以保证负载有电流的电缆始终穿过罗氏线圈中心以及罗氏线圈测试中电磁环境的独立），经过隧道磁阻传感器的感应区后贯穿金属壳体右壁伸出金属壳体；

上述电缆根据不同的测试需求可以更换为电线电缆国家标准规定的相应规格：

（1）应用于室外长电缆场所，使用相应规格的电缆耦合器装置（所用系统传感器内部贯穿的电缆只留出供电缆耦合器装置连接的部分即可），把隧道磁阻传感器测得的数据与罗氏线圈测得的数据进行复合处理，即利用两种传感器都能准确测量的中频段信号进行统一标定到同一量级上，取隧道磁阻测量中低频段和罗氏线圈测量中高频段完成脉冲电流信号全范围测试，实现隧道磁阻测量对罗氏线圈测量低频信号缺失的弥补；

（2）应用于室内短电缆场所，此装置既作为测试部件也作为功能部件（装置即可代替被测系统中原有的电缆），安装好各个部件后，在实验室进行校准，校准完成后的装置接入被测系统，进行复合处理，更大程度的减少安装误差，确保被测信号的可靠性。

此电流测试装置可以根据测试需求永久/半永久性安装（永久性安装即装置作为功能部件，在完成测试功能的同时不影响系统性能；半永久性安装即只需一次或几次测试，测试完成后拆除脉冲电流测试装置，同样不影响被测系统的性能）。

此电流测试装置在各个部件安装完成后，在实验室条件下使用标准电源完成装置系统级标定（校准），避免测试现场传感器安装环节引入的误差，减小了系统误差，最后把装置接入被测系统后进行两个传感器测得数据的复合。

金属壳体整体呈圆柱形，左右端面较厚（用于两层屏蔽设计），金属壳体的左侧端面外部以及内部均安装有波导窗，形成两层波导窗，右侧端面同样设置，增加端面厚度以增加孔洞深度使其形成截止波导管，两层波导窗的设计使其具有更好的屏蔽效果；

负载有电流的电缆贯穿金属壳体左壁后安装好罗氏线圈，间隔不小于50mm且不大于70mm安装隧道磁阻传感器，并贯穿金属壳体右壁伸出金属壳体；

该电流测试装置测试脉冲功率电流是通过隧道磁阻传感器和罗氏线圈复合测试的方法，隧道磁阻传感器依据隧道磁电阻对磁场信号的敏感反应来进行中低频信号的测试，罗氏线圈依据法拉第电磁感应定律和安培环路定律来进行中高频信号的测试。

本发明提供的电流测试装置通过隧道磁阻传感器与罗氏线圈的复合传感可以进行脉冲功率电流的全频段测试（包含其信号的中低频段），并通过光纤连接外部高速数据采集设备便于监测。

测试过程为：在脉冲功率电流测试中，流过内部电缆的电流会从产生一个正向脉冲，在装置工作过程中，稳态（中低频）电流由固定在底座上的隧道磁阻传感器来进行测量，隧道磁阻传感器利用磁场变化引起磁电阻变化，隧道磁阻阻值变化形成的电阻信号转换成电压输出信号，电压输出信号经过调理电路的差分放大电路模块、滤波模块、采集、数字存储，得到被测电流信号；在不同的测试需求下，可以不经过存储，直接由右侧光纤把测得的信号传输给外部高速数据采集设备监测；当脉冲功率电流（中高频）产生时，由罗氏线圈来测量脉冲功率大电流，电缆中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变化率成比例的交流电压信号，并通过配套的积分器将线圈输出的电压信号进行积分得到另一个电压信号，这个电压信号能够还原被测电流信号的波形，实现对中高频信号的测量；

罗氏线圈测得的信号可以在不同的测试需求下选择数字存储或者由右侧光纤把测得的信号传输给外部高速数据采集设备监测。

全封闭式金属壳体、电磁密封衬垫、两层波导窗、紧固螺钉的设计提高了测试装置的抗电磁干扰的性能。

隧道磁阻传感器测电流的方法是保持隧道磁阻传感器与电缆位置不变，通过电缆的电流产生磁场，使得隧道磁阻传感器内部的全桥结构的电阻值发生改变（其中一组磁电阻阻值增大，另外一组磁电阻阻值减小），隧道磁阻阻值变化形成的电阻信号通过差动电桥转换成电压输出信号，电压输出信号经过调理电路模块的差分放大、滤波，得到放大后的电压信号，通过数字存储或由外部的高速数据采集装置得到被测信号。

隧道磁阻传感器对低频信号的准确测试，弥补了罗氏线圈对低频信号不能准确测量的问题，相比使用电路、软件根据高频特性对低频信号进行还原的具有低频特性罗氏线圈测得的更具可靠性。

本发明的有益效果：

（1）隧道磁阻传感器与罗氏线圈复合传感，利用隧道磁阻传感器测量稳态（中低频）与罗氏线圈测量脉冲功率电流（中高频）信号相复合，实现具有低频特征的脉冲功率电流信号的测试；

（2）全封闭式金属壳体结构、光纤充电、传感器本地进行信号数字化、信号光纤数据传输或数字存储，这一系列技术措施提高了系统的抗电磁干扰性能；

（3）装置既作为测试部件的同时也是功能部件，装置的各部件安装好之后在实验室进行系统级标定（校准），避免测试现场传感器安装环节引入的误差，减小了系统误差。

附图说明

图1为测试装置的整体结构示意图。

图2为测试装置的二维示意图。

图3为测试装置的1/4剖视图。

图4为测试装置的剖视图。

图5为测试装置的底视图。

图6为调理电路框图。

图中1-金属壳体，2-金属壳体上半部，3-金属壳体下半部，4a-第一圆形波导窗，4b-第二圆形波导窗，5a-第三圆形波导窗，5b-第四圆形波导窗，6-屏蔽壳体，7-屏蔽壳体上半部，8-屏蔽壳体下半部，9-隧道磁阻传感器，10-罗氏线圈，11-固定底座，12-调理电路，13-光伏电池，14-散热铝片，15-激光接收发射模块，16-橡胶卡扣，17-大螺钉安装座，18-小螺钉安装座，19-大螺钉，20-小螺钉，21-电缆，22-光纤输入通道，23-光纤输出通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图对本发明所述的电流测试装置进行详细的说明。

隧道磁阻传感器与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，是通过隧道磁阻传感器与罗氏线圈复合传感来实现的，

金属壳体（金属壳体1分为金属壳体上半部2和金属壳体下半部3两个部分，且金属壳体1整体呈圆柱形，左右两端面较厚，金属壳体1左侧端面外侧安装有第一圆形波导窗4a，端面内侧安装有第二圆形波导窗4b，形成两层波导窗，右侧端面同样设置）内部贯穿一条电缆21（此电缆可分不同的规格，与外部电缆规格一致，用于和外部电缆连接），根据不用的测试需求更换相应的电缆，

电缆21与外部电缆使用相应规格的电缆耦合器装置进行连接，隧道磁阻传感器9安装在与金属壳体1焊接的固定底座11上，以此来保证隧道磁阻传感器9与电缆21的距离保持一致，在金属壳体1左侧，与隧道磁阻传感器9间隔不小于50mm且不大于70mm安装有罗氏线圈10，罗氏线圈10通过屏蔽壳体6（屏蔽壳体6分为屏蔽壳体上半部7和屏蔽壳体下半部8两个部分）以及嵌入屏蔽壳体6内部的橡胶卡扣16固定（橡胶卡扣16正好包覆罗氏线圈10），以此来保证罗氏线圈10与电缆21的位置保持不变，

调理电路12固定在金属壳体1顶部，调理电路12差分放大、滤波、采集、数字存储顺序组成，利用存储测试技术在传感器本地将信号存储或光纤数据传输，以减少数据传输过程中的电磁干扰，光伏电池13、散热铝片14、激光接收发射模块15安装在金属壳体1底部，

屏蔽壳体上半部7和屏蔽壳体下半部8有小螺钉安装座18，小螺钉安装座18通过小螺钉20固定，在屏蔽壳体上半部7和屏蔽壳体下半部8的接缝处使用电磁密封衬垫填充，金属壳体上半部2和金属壳体下半部3的接缝处同样使用电磁密封衬垫填充，确保电磁的全封闭，

光纤输入通道22穿过金属壳体1左端面的第一圆形波导窗4a、第二圆形波导窗4b，经激光接收模块15给光伏电池13充电，未经传感器本地存储的数据通过光纤输出通道23穿过金属壳体1的右端面的第四圆形波导窗5b、第三圆形波导窗5a传输给外部的高速数据采集装置。

在电流测试装置的上半部与下半部金属屏蔽体、电缆与金属壳体、波导窗与金属壳体等的接缝处均使用电磁密封衬垫填充；金属屏蔽体使用铣床加工接触表面增加接触面的平整度，以保证接触良好；增加上半部与下半部金属屏蔽体的紧固件的密度，来减小缝隙处的电磁干扰。

为了便于对所测电流信号的处理与监测，外部接高速数据采集装置，高速数据采集装置与电流测试装置通过光纤输出通道23连接，利用光纤数字信号的抗电磁干扰性能来完成信号的传输。

根据测试需要，本电流测试装置可以进行永久/半永久性安装（永久性安装即装置作为功能部件，在完成测试功能的同时不影响系统性能；半永久性安装即只需一次或几次测试，测试完成后拆除装置，同样不影响被测系统的性能）。

装置内部的固定底座11用于固定隧道磁阻传感器9，来保证隧道磁阻传感器9与电缆21的距离保持不变，以保证隧道磁阻传感器9的感磁面可以最大程度的感应电缆21通电后磁场的变化。

罗氏线圈10由屏蔽壳体6以及橡胶卡扣16固定（橡胶卡扣正好包覆罗氏线圈10），以此来保证电缆21正好穿过罗氏线圈10的中心，来保证罗氏线圈10输出信号的误差最小（电缆穿过罗氏线圈中心时，输出信号的误差最小）；

本电流测试装置使用隧道磁阻传感器来进行中低频信号的准确测量，弥补了罗氏线圈对低频信号不能准确测量的问题，相比现有的具有低频特性的罗氏线圈（利用软件/硬件依据所测得的高频信号对低频信号进行还原），测得的数据更具可靠性。

所述隧道磁阻传感器与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置中采用金属壳体、双层波导窗、电磁密封衬垫以及紧固螺钉等措施来实现全封闭，使得测试装置内部的电磁环境独立不受外部干扰。

特别地，本电流测试装置的系统级标定（校准），确保测试数据的准确性与可靠性，首先安装好各个部件，之后在实验室对装置进行系统级标定（校准），避免测试现场传感器安装引入的误差，减小了系统误差，最后把装置接入被测系统后进行两个传感器测得数据的复合；装置既可以作为测试部件也可作为功能部件。

特别地，使用激光充电以及光纤数据传输，提高了电流测试装置的抗电磁干扰性能，所述激光充电技术相对成熟，并且在高速发展，光纤传输数据技为本领域技术人员所熟知的。

通过以上电流测试装置的设计，实现对脉冲功率电流的全频率范围测试。调理电路模块的差分放大、滤波、采集、存储是本领域技术人员所熟知的。

差分放大电路模块由仪表放大器实现，通过由于电缆引起磁阻变化进而差动电桥输出的动态信号，放大、滤波电路模块由压控电压源二阶低通滤波电路实现，这些技术为本领域公知技术，不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，其特征在于：该装置由屏蔽模块、传感模块、电路模块、信号传输模块组成；

屏蔽模块包括金属壳体、罗氏线圈屏蔽壳体、第一圆形波导窗、第二圆形波导窗、第三圆形波导窗、第四圆形波导窗；全封闭式金属壳体的两端面分别安装有两层波导窗，金属壳体沿轴线分为上半部与下半部，金属壳体内部贯穿一条电缆，根据不同的测试需求更换相应规格的电缆，与外部电缆连接时使用相应规格的电缆耦合器装置；

传感模块包括隧道磁阻传感器和罗氏线圈；隧道磁阻传感器安装在固定底座上，该固定底座与金属壳体焊接；罗氏线圈套在金属壳体内部的电缆上，通过罗氏线圈屏蔽壳体和橡胶卡扣固定，所述橡胶卡扣嵌入罗氏线圈屏蔽壳体内部，罗氏线圈屏蔽壳体沿轴线分为上下两部分；隧道磁阻传感器与罗氏线圈间隔一段距离安装，隧道磁阻传感器位于金属壳体的右侧，罗氏线圈位于金属壳体的左侧；

电路模块包括调理电路、光伏电池；调理电路安装于金属壳体内部的顶部，位于隧道磁阻传感器的右侧，调理电路由差分放大模块、滤波模块、采集模块、数字存储模块顺序组成；光伏电池给隧道磁阻传感器、罗氏线圈、调理电路供电；

信号传输模块包括光纤输入通道、激光接收发射模块、光纤输出通道；

光伏电池、散热铝片以及激光接收发射模块安装在金属壳体内部的底部。

2.根据权利要求1所述的一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，其特征在于：所述电缆分为不同的规格，用于和外部不同规格的电缆相连。

3.根据权利要求1所述的一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，其特征在于：金属壳体、罗氏线圈屏蔽壳体的上半部分、下半部分均有用于连接的螺钉安装座，金属壳体的上、下两部分通过大螺钉安装座用大螺钉固定，罗氏线圈屏蔽壳体的上、下两部分通过小螺钉安装座用小螺钉固定，接缝处使用电磁密封衬垫填充。

4.根据权利要求1所述的一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，其特征在于：所述金属壳体两侧有两条光纤，左侧光纤用做激光充电，右侧光纤用作光纤数据传输，右侧光纤连接高速数据采集设备以便监测。

5.根据权利要求1所述的一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，其特征在于：金属壳体整体呈圆柱形，左右端面较厚，金属壳体的左侧端面外部以及内部均安装有波导窗，形成两层波导窗，右侧端面同样设置，增加端面厚度以增加孔洞深度使其形成截止波导管，安装两层波导窗使得其具有更好的电磁屏蔽效能。

6.根据权利要求1所述的一种隧道磁阻与罗氏线圈复合的全封闭式电流测试装置，其特征在于：电缆贯穿金属壳体左壁后安装好罗氏线圈，间隔不小于50mm且不大于70mm安装隧道磁阻传感器，两个传感器的测试环境相互独立，并贯穿金属壳体右壁后伸出金属壳体。

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