CN111381084A - 一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，属于电流传感器领域。传感器采用铁芯‑印刷电路板组合式结构，在此结构基础上提出了二次绕组均等错落式绕线方式，有效减小了杂散电容；除此之外，负载电阻采用离散化分布方式，有效降低或消除了传感器的阶跃响应振荡，缩短了稳定时间。相比于传统的手工绕线线圈传感器，本发明提供的高频电流传感器，其二次绕组位置可以灵活调整、精细控制，采取的二次绕组错落式均等绕线方式、负载电阻离散化分布等技术方案显著提高了传感器的高频截止频率，同时大大提升了传感器的响应速度，减小了高频电流测量对传感器的冲击，可以满足大多数高频电流应用场合的测量需要。

Description

一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器

技术领域

本发明属于电流传感器领域，更具体地，涉及一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器。

背景技术

在工业生产和科学研究中，对周期性高频电流和快速脉冲电流信号的测量和计量有着广泛需求。在军工领域，特殊部件电镀工艺控制、军用电力电子器件的测试均需要准确计量脉冲电流，保证优秀的生产制造工艺和军工级别的产品可靠性；在冲击电流、雷电监测领域，高频电流传感器可以准确测量脉冲电流波形，为冲击电流发生器的研制与试验、雷电防护有效性的评估提供依据；在工业电子领域，高频电流传感器可用于电子设备电磁干扰(EMI)、电磁兼容(EMC)测试中测试信号的校准。

常用的高频电流传感器包括分流器、空心线圈和电磁式电流传感器等。分流器需要串接在测量回路中，无法实现电气隔离；空芯线圈受传感原理限制，测量灵敏度低且受漏磁影响较大。基于电磁感应原理的电磁式电流传感器，又称铁芯线圈，具有隔离度高、频响范围宽、准确可靠等优点，在工业生产中已经获得广泛应用。以Pearson线圈为代表的铁芯线圈通过改良磁芯材料和合理设计参数结构来兼顾线圈的灵敏度和带宽，在高频电流测量场景具有优秀的适用性，但由于非线性磁化特性、分布杂散电容影响等固有因素，铁芯线圈的高频性能不佳，高频截止频率有待提升，在Pearson线圈的产品手册上，1％准确度给定频率也只达到100kHz；而且，测量高频电流时，传感器易受到冲击产生振荡，稳定时间较长。

因此，迫切需要设计一种电磁式电流传感器，其可以提高铁芯线圈的高频截止频率，提升响应速度，改善其高频性能，以满足大多数高频电流应用场合的测量需要。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，旨在解决现有电磁式电流传感器高频截止频率受限于杂散参数难以提升和响应速度较慢的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，其特征在于，包括铁芯、上板、下板、内垫板、外垫板、导电铜线和负载电阻；

所述上板和下板均为印刷电路板，分别位于铁芯的上下两面，表面均印刷有导电布线；

所述导电铜线用于连接上板和下板相对位置上的导电布线，导电铜线与导电布线串联构成传感器的二次绕组；

所述内垫板和外垫板分别位于所述铁芯的内侧和外侧，用于固定铁芯与上板、下板的相对位置。

优选地，所述二次绕组采用均等绕线方式，所述导电布线以相等的弧度间隔轮流印刷于所在印刷电路板的正反两面。

优选地，相邻两匝二次绕组错落排布。

优选地，所述负载电阻包括多个串联连接的离散负载电阻。

优选地，所述二次绕组分为多段线圈，每段线圈与所述离散负载电阻并联。

优选地，所述每段线圈包含的匝数相等，所述离散负载电阻的阻值相等。

优选地，所述内垫板和外垫板均由多块印刷电路板叠加形成。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明采用铁芯-印刷电路板组合式结构，实现了数字化布线和全自动生产，相比于传统的手工绕线方式，二次绕组的位置可以灵活调整、精细控制，提高了杂散电容的可控性；

2、本发明中二次绕组由印刷电路板上均等错落式布置的导电布线串联形成，减小了相邻绕组的相对面积，降低了杂散电容，大大提升了传感器的高频截止频率；

3、本发明通过使负载电阻离散化布置，提高了传感器的响应速度，同时减小了高频电流测量对传感器的冲击。

附图说明

图1为本发明提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的剖面图；

图2为本发明提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的上板导电布线示意图；

图3为本发明提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的下板导电布线示意图；

图4为本发明提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的上板、下板布线重合视图；

图5为本发明提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的错落式绕线方式示意图；

图6为本发明提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器在负载电阻集中和离散情况下的阶跃响应曲线图；

其中，1-铁芯；2-上板；3-下板；4-内垫板；5-外垫板；6-导电铜线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

铁芯线圈基于磁感应原理测量电流，它是由二次绕组均匀绕制在环形骨架上，骨架由铁磁性材料制成；将通有被测电流的载流导线放置于环形骨架当中，载流导线垂直于线圈所在平面，并且两者的中心轴重合。对于稳态正弦电流，铁芯线圈的输出电压可以表示为U_out＝IR_L/n，式中，工为被测电流，R_L为铁芯线圈的负载电阻，n为二次绕组的匝数，U_out为铁芯线圈的输出电压。

基于理论推导和数学计算，可以得到铁芯线圈的3dB高频截止频率表达式为f_H＝1/(2·π·R_L·C)，式中，f_H为高频截止频率，π为圆周率，C为铁芯线圈的杂散电容。从高频截止频率表达式中可以看出，降低铁芯线圈的负载电阻R_L和杂散电容C均可以使高频截止频率f_H提高，但是，从线圈的输出电压U_out表达式可以看出，负载电阻R_L的减小会使得输出电压U_out减小，造成灵敏度降低；因此一般从降低杂散电容C的角度出发，达到提升高频截止频率的目的。另一方面，测量高频电流时，传感器易受到冲击产生振荡，稳定时间较长，所以，优化传感器高频性能的另一重要方面就是降低传感器的振荡，提高其响应速度。故本发明从降低传感器杂散电容、提高响应速度两方面出发，解决现有电磁式电流传感器高频性能不佳的难题。

本发明公开了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器。传感器包括铁芯和印刷电路板；其中，铁芯作为集磁环，增加了传感器骨架的磁导率，保障了传感器的电流测量准确度；印刷电路板作为二次绕组的载体，实现了数字化布线和全自动生产，提供了后续均等绕线的基础，使二次绕组分布间隔均匀对称，提高了传感器杂散电容的可控性。

示例性地，传感器骨架为开有中心通孔的圆环形铁芯，由铁磁性材料构成，外半径为r₃，内半径为r₄，厚度为h。印刷电路板包括上板、下板、内垫板和外垫板；上板、下板均是一块圆环形印刷电路板，分别位于铁芯的上下两面，外半径为r₁，内半径为r₂，板厚为h＇；内垫板、外垫板均由m块圆环形印刷电路板叠加形成，分别组装在铁芯的内侧和外侧，其中，内垫板的外半径为r₄，内半径为r₂，外垫板的外半径为r₁，内半径为r₃，板厚均为h′，上述尺寸参数满足以下关系式：

r₁＞r₃＞r₄＞r₂

m×h′＝h内垫板、外垫板用于固定铁芯、上板、下板的相对位置；上板和下板上印刷有导电布线，导电布线和导电铜线串联构成传感器的二次绕组。

进一步地，二次绕组采用均等绕线方式布置：导电布线以相等的弧度间隔均匀地依次轮流印刷于所在电路板的正反两面，利用导电铜线将所述导电布线依次串联形成二次绕组，串联顺序为：上板正面布线(A₁C₁)-下板正面布线(C₁B₁)-上板反面布线(B₁D₁)-下板反面布线(D₁A₂)……。这种二次绕组的错落式均等布置提高了传感器互感系数的稳定性，有利于提升其测量准确度；同时，在空间上错落式布置的方式减小了相邻匝绕组之间的相对面积，降低了杂散电容值，有利于提高传感器的高频截止频率。

传感器的负载电阻采用离散化分布，包括多个离散负载电阻。优选地，设二次绕组总匝数为n，将二次绕组等分为k段，每一段匝数为n/k，每一段线圈并联一个离散负载电阻R_L′，相当于一个小电流传感器，将所有离散负载电阻R_L′串接，则传感器的总负载电阻为R_L＝k*R_L′。离散化分布的电阻在传感器的等值电路中起到阻尼作用，能够有效地降低或消除阶跃响应的振荡，减小了传感器的稳定时间，提高了响应速度。

实施例一

本实施例公开了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，下面对其进行具体描述：

a、传感器主要组成和各部分的尺寸

传感器包括铁芯1、上板2、下板3、内垫板4、外垫板5和导电铜线6，其中，铁芯1为圆环形铁磁材料，本实施例中的传感器选用铁氧体磁芯，型号为FUO-I8012025，磁导率μ＝50000，其外半径为r₃，内半径为r₄，厚度为h；上板2和下板3均是一块圆环形印刷电路板，分别位于铁芯的上下两面，外半径为r₁，内半径为r₂，板厚为h′；内垫板4和外垫板5均由m块圆环形印刷电路板叠加形成，分别组装在铁芯的内侧和外侧，其中，内垫板4的外半径为r₄，内半径为r₂，外垫板5的外半径为r₁，内半径为r₃，板厚均为h′；匝数为n，本实施例中传感器参数具体如表1所示：

表1传感器各部件参数表

r<sub>1</sub>	82mm
		r<sub>2</sub>	22.5mm
r<sub>3</sub>	78mm
		r<sub>4</sub>	42mm
h	30mm
		h′	2mm
m	15
		n	40

b、导电布线的布置和连接

图2和图3分别为传感器的上板2和下板3结构示意图。K为印刷电路板的固定孔位，结合螺母一起作用，用于组装印刷电路板和铁芯；在传感器上板2、下板3上印刷有导电布线，在半径为r_a、r_b、r_c、r_d的圆周上分别均匀布置有20个通孔，依次为A₁-A₂₀、B₁-B₂₀、C₁-C₂₀、D₁-D₂₀。如图2所示，上板2的导电布线连线为A_iC_i、B_iD_i(i＝1，2，…，20)；如图3所示，下板3的导电布线连线为C_iB_i、D_iA_i+1(i＝1，2，…，20)。所述导电布线依次轮流印刷于所在电路板的正反两面，图2、图3中，实线为正面布线，虚线为反面布线，最后一匝绕组反方向绕了一圈回线H，在图3中标示，其作用是抵消与上板2垂直的干扰电流的影响。本实施例中上述布线位置参数如表2所示：

表2传感器导电布线位置参数表

r<sub>a</sub>	68mm
		r<sub>b</sub>	65mm
r<sub>c</sub>	35mm
		r<sub>d</sub>	32mm

在每个通孔A₁-A₂₀、B₁-B₂₀、C₁-C₂₀、D₁-D₂₀中穿插有导电铜线6，通过焊接方式与上板2、下板3电气连接，上板2、下板3上的布线重合视图如图4所示，上板2、下板3的导电布线通过导电铜线6连接共同构成二次绕组，二次绕组连线为A₁C₁B₁D₁A₂……D₂₀E，E为传感器的输出端口之一，从A₁、E两个端口引出的电压信号即为传感器的输出信号。二次绕组的空间连接示意图如图5所示，导电布线串接顺序为：上板正面布线(A₁C₁)-下板正面布线(C₁B₁)-上板反面布线(B₁D₁)-下板反面布线(D₁A₂)……，相邻两匝绕组错落排布，减小了相邻两匝绕组的相对面积；

c、负载电阻离散化布置

本实施例中二次绕组匝数n＝40，被等分为20段，每段包含匝数n/20＝2，每2匝线圈与一个小负载电阻R_L′并联(图2中的Z部件即为一个小负载电阻R_L′)，一共20个，本实施例中取R_L′＝0.08Ω，全部小负载电阻R_L＇串联形成总负载电阻R_L。在Matlab环境仿真负载电阻集中和离散两种情况，其阶跃响应曲线如图6所示，图中实线所示为负载电阻为集中电阻时的传感器响应曲线，虚线为负载电阻离散化处理后的响应曲线，可以看出，负载电阻的离散化布置可以减小输出信号的超调量，缩短其稳定时间。

本发明提出的杂散参数精细化可调的高频电流传感器，采用了铁芯-印刷电路板组合式结构、二次绕组均等错落式布置和负载电阻离散化分布，相比于传统的手工绕线线圈传感器，其优点在于，二次绕组可以灵活调整、准确控制，减小了传感器的离散电容，同时提高了其响应速度，对传感器的高频性能有极大改善，可以适用于大多数高频电流测量场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，其特征在于，包括铁芯(1)、上板(2)、下板(3)、内垫板(4)、外垫板(5)、导电铜线(6)和负载电阻；

所述上板(2)和下板(3)均为印刷电路板，分别位于铁芯(1)的上下两面，表面均印刷有导电布线；

所述导电铜线(6)用于连接上板(2)和下板(3)相对位置上的导电布线，导电铜线与导电布线串联构成传感器的二次绕组；

所述内垫板(4)和外垫板(5)分别位于所述铁芯(1)的内侧和外侧，用于固定铁芯(1)与上板(2)、下板(3)的相对位置。

2.如权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述二次绕组采用均等绕线方式，所述导电布线以相等的弧度间隔轮流印刷于所在印刷电路板的正反两面。

3.如权利要求2所述的高频电流传感器，其特征在于，相邻两匝二次绕组错落排布。

4.如权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述负载电阻包括多个串联连接的离散负载电阻。

5.如权利要求4所述的高频电流传感器，其特征在于，所述二次绕组分为多段线圈，每段线圈与所述离散负载电阻并联。

6.如权利要求5所述的高频电流传感器，其特征在于，所述每段线圈包含的匝数相等，所述离散负载电阻的阻值相等。

7.如权利要求1-6任一项所述的高频电流传感器，其特征在于，所述内垫板(4)和外垫板(5)均由多块印刷电路板叠加形成。

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