CN111443231A - 一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于感应电流检测技术领域，具体涉及一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统及方法，包括控制电路、波同转换器、双脊形波导、电源模块、第一射频信号源、锁相放大器、第二射频信号源，双脊形波导的两端分别连接有波同转换器，双脊形波导通过波同转换器分别连接有控制电路、电源模块、第一射频信号源、锁相放大器，锁相放大器连接有第二射频信号源，双脊形波导内设置有敏感单元桥丝、隧道磁阻探头，所述敏感单元桥丝与隧道磁阻探头连接。本发明可以有效避免测试设备引入误差，通过锁相的方法能在干扰环境中提取出有效的隧道磁阻探头的输出电压值，从而间接得到敏感单元桥丝上感应电流的大小。本发明用于感应电流的检测。

Description

一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统及方法

技术领域

本发明属于感应电流检测技术领域，具体涉及一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统及方法。

背景技术

基于隧道磁阻效应的磁传感器具有灵敏度高、功耗小等诸多优点，在各个领域具有不可替代的优势，它能感知与磁现象有关的物理量的变化，并转换为电信号进行输出；在电磁环境中，电磁感应电流的变化会引起周围电场的变化，根据电磁感应定律，变化的电场会产生变化的磁场，利用隧道磁阻传感器检测电磁环境中变化的磁场，从而可以确定电磁感应电流的大小。目前电流检测的方法较多，测温法、比色法、电流传感器等，都会由于自身工作对被测单元产生干扰，从而引入误差。

发明内容

针对上述电流检测的方法会对被测单元产生干扰技术问题，本发明提供了一种抗干扰能力强、效率高、灵敏度高的监视敏感单元桥丝是否受到干扰环境的影响。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统，包括控制电路、波同转换器、双脊形波导、电源模块、第一射频信号源、锁相放大器、第二射频信号源，所述双脊形波导的两端分别连接有波同转换器，所述双脊形波导通过波同转换器分别连接有控制电路、电源模块、第一射频信号源、锁相放大器，所述锁相放大器连接有第二射频信号源，所述双脊形波导内设置有敏感单元桥丝、隧道磁阻探头，所述敏感单元桥丝与隧道磁阻探头连接。

所述双脊形波导一端的波同转换器上设置有第一敏感单元桥丝端口、第二敏感单元桥丝端口，所述敏感单元桥丝分别连接有第一敏感单元桥丝端口、第二敏感单元桥丝端口，所述第一敏感单元桥丝端口、第二敏感单元桥丝端口均连接在控制电路上。

所述双脊形波导另一端的波同转换器上设置有隧道磁阻探头电源引脚、隧道磁阻探头地线引脚、第一隧道磁阻探头输出引脚、第二隧道磁阻探头输出引脚，所述隧道磁阻探头通过隧道磁阻探头电源引脚、隧道磁阻探头地线引脚与电源模块连接，所述隧道磁阻探头通过第一隧道磁阻探头输出引脚、第二隧道磁阻探头输出引脚与锁相放大器连接。

所述敏感单元桥丝与隧道磁阻探头通过低密度的聚乙烯脂固定在双脊形波导的中轴线上，所述敏感单元桥丝与隧道磁阻探头中心点的距离为两毫米。

所述双脊形波导采用铜加工制成。

一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测方法，包括下列步骤：

S1、打开测试仪器设备，预热并达到稳定工作状态；

S2、使用第一射频信号源向双脊形波导内发射交流信号，双脊形波导腔体内部形成均匀恒定的辐射场，控制第一射频信号源发射信号的频率与幅值；

S3、控制电路正常工作，且不发出控制信号；

S4、调节第二射频信号源向锁相放大器提供参考信号；

S5、通过锁相放大器检测隧道磁阻探头的输出电压值，并记录；

S6、固定第一射频信号源发射信号的频率不变，增大发射信号的幅值，重复S2到S5，直至隧道磁阻探头输出电压值开始衰减；

S7、增大第一射频信号源发射信号的频率并固定，重复S6；

S8、在测试频率范围内扫描，保持场强值持续增加，达到极限值要求，监视敏感单元桥丝是否受到干扰环境的影响；

S9、当第一射频信号源的频率与幅值的改变，隧道磁阻探头输出开始衰减，测试结束，利用敏感单元桥丝上感应电流与隧道磁阻探头输出电压值的理论模型，间接得到待检测的感应电流值大小。

所述S8中监视敏感单元桥丝是否受到干扰环境的影响的方法采用步进扫描方式，每一频率上至少驻留5s，保证电磁环境没有波动、隧道磁阻探头工作稳定。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过射频信号源施加激励信号，可在双脊形波导内部产生可调节的均匀电磁场，使之更接近于真实环境，并且便于对单个频点进行理论推算以及测试数据记录；并且本发明可以有效避免测试设备引入误差，通过锁相的方法能在干扰环境中提取出有效的隧道磁阻探头的输出电压值，从而间接得到敏感单元桥丝上感应电流的大小。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明双脊形波导的结构示意图；

其中：1为控制电路，2为波同转换器，3为双脊形波导，4为电源模块，5为第一射频信号源，6为锁相放大器，7为第二射频信号源，8为第一敏感单元桥丝端口，9为敏感单元桥丝，10为隧道磁阻探头，11为隧道磁阻探头电源引脚，12为隧道磁阻探头地线引脚，13为第二敏感单元桥丝端口，14为第一隧道磁阻探头输出引脚，15为第二隧道磁阻探头输出引脚。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统，如图1所示，包括控制电路1、波同转换器2、双脊形波导3、电源模块4、第一射频信号源5、锁相放大器6、第二射频信号源7，双脊形波导3的两端分别连接有波同转换器2，双脊形波导3通过波同转换器2分别连接有控制电路1、电源模块4、第一射频信号源5、锁相放大器6，锁相放大器6连接有第二射频信号源7，双脊形波导3内设置有敏感单元桥丝9、隧道磁阻探头10，敏感单元桥丝9与隧道磁阻探头10连接。

进一步，如图2所示，双脊形波导3一端的波同转换器2上设置有第一敏感单元桥丝端口8、第二敏感单元桥丝端口13，敏感单元桥丝9分别连接有第一敏感单元桥丝端口8、第二敏感单元桥丝端口13，第一敏感单元桥丝端口8、第二敏感单元桥丝端口13均连接在控制电路1上。

进一步，如图2所示，双脊形波导3另一端的波同转换器2上设置有隧道磁阻探头电源引脚11、隧道磁阻探头地线引脚12、第一隧道磁阻探头输出引脚14、第二隧道磁阻探头输出引脚15，隧道磁阻探头10通过隧道磁阻探头电源引脚11、隧道磁阻探头地线引脚12与电源模块4连接，隧道磁阻探头10通过第一隧道磁阻探头输出引脚14、第二隧道磁阻探头输出引脚15与锁相放大器6连接。

进一步，优选的，敏感单元桥丝9与隧道磁阻探头10通过低密度的聚乙烯脂固定在双脊形波导3的中轴线上，优选的，敏感单元桥丝9与隧道磁阻探头10中心点的距离为两毫米。

进一步，优选的，双脊形波导3采用铜加工制成。

一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测方法，包括下列步骤：

S1、打开测试仪器设备，预热并达到稳定工作状态。

S2、使用第一射频信号源向双脊形波导内发射交流信号，双脊形波导腔体内部形成均匀恒定的辐射场，控制第一射频信号源发射信号的频率与幅值；

S3、控制电路正常工作，且不发出控制信号。

S4、调节第二射频信号源向锁相放大器提供参考信号。

S5、通过锁相放大器检测隧道磁阻探头的输出电压值，并记录。

S6、固定第一射频信号源发射信号的频率不变，增大发射信号的幅值，重复S2到S5，直至隧道磁阻探头输出电压值开始衰减。

S7、增大第一射频信号源发射信号的频率并固定，重复S6。

S8、在测试频率范围内扫描，保持场强值持续增加，达到极限值要求，监视敏感单元桥丝是否受到干扰环境的影响。

S9、当第一射频信号源的频率与幅值的改变，隧道磁阻探头输出开始衰减，测试结束，利用敏感单元桥丝上感应电流与隧道磁阻探头输出电压值的理论模型，间接得到待检测的感应电流值大小。

进一步，S8中监视敏感单元桥丝是否受到干扰环境的影响的方法采用步进扫描方式，每一频率上至少驻留5s，保证电磁环境没有波动、隧道磁阻探头工作稳定。

本发明的工作原理为：在复杂的电磁环境中，正常工作状态下的引爆装置内会受到电磁干扰，产生感应电流，导致引爆。因此必须测量由干扰产生的感应电流的大小，感应电流电流的变化会引起其周围空间电场发生变化，从而引起周围磁场发生变化，而隧道磁阻探头能够感知与磁现象有关的物理量，并且输出微弱的电压信号；利用电磁感应原理，建立感应电流的变化、磁场的变化与隧道磁阻探头输出电压三者之间的数学关系模型，与窄带滤波方法相比，锁相放大器方法可以实现更大的信噪比，可以有效地提取出隧道磁阻探头输出的电压值大小，从而实现桥丝上电磁感应电流的检测。

当磁阻探头的输出电压信号为：

f₁(t)＝V_scos(ω₀t+φ)

其中V_s为磁阻输出信号的幅值，φ为磁阻输出信号的相位。

通过射频信号源为锁相放大器提供两路参考信号为：

f₂(t)＝V_rcosω₀t

f₃(t)＝V_rsinω₀t

其中V_r为参考信号的幅值，ω₀为参考信号的频率。

由上式可以看出，经过乘法器运算后，中心频率为ω₀的载波信号被迁移到了ω＝0和ω＝2ω₀处，由余弦信号自身特性，在一个时钟周期内的积分值为0，因此可得经过相关运算后的结果：

同理当参考信号是正弦信号时可以得到：

利用上式可以解算出磁阻输出信号与参考信号的相位差：

通过设置参考信号的幅值以及求得的相差即可得到磁阻输出信号的幅值：

通过以上推算过程可以从干扰环境中提取出磁阻输出信号的幅值与相位信息，因此可以通过对比真值表得出磁通量的变化率，通过磁通量、磁感应强度与电流之间的关系有：

其中Φ表示磁通量，B表示磁感应强度，S表示隧道磁阻探头的横截面积，μ₀为真空磁导率，I为敏感单元桥丝中的电流，a为敏感单元桥丝与隧道磁阻探头的间距。

因此电流与磁感应强度的关系为：

通过上述过程，建立起敏感单元桥丝上的感应电流与锁相放大器检测到的微弱电压值的关系，在强电磁干扰环境的每一个频率下，都可以有效提取隧道磁阻探头上的输出电压值，实现桥丝上电磁感应电流的检测。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统，其特征在于：包括控制电路(1)、波同转换器(2)、双脊形波导(3)、电源模块(4)、第一射频信号源(5)、锁相放大器(6)、第二射频信号源(7)，所述双脊形波导(3)的两端分别连接有波同转换器(2)，所述双脊形波导(3)通过波同转换器(2)分别连接有控制电路(1)、电源模块(4)、第一射频信号源(5)、锁相放大器(6)，所述锁相放大器(6)连接有第二射频信号源(7)，所述双脊形波导(3)内设置有敏感单元桥丝(9)、隧道磁阻探头(10)，所述敏感单元桥丝(9)与隧道磁阻探头(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统，其特征在于：所述双脊形波导(3)一端的波同转换器(2)上设置有第一敏感单元桥丝端口(8)、第二敏感单元桥丝端口(13)，所述敏感单元桥丝(9)分别连接有第一敏感单元桥丝端口(8)、第二敏感单元桥丝端口(13)，所述第一敏感单元桥丝端口(8)、第二敏感单元桥丝端口(13)均连接在控制电路(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统，其特征在于：所述双脊形波导(3)另一端的波同转换器(2)上设置有隧道磁阻探头电源引脚(11)、隧道磁阻探头地线引脚(12)、第一隧道磁阻探头输出引脚(14)、第二隧道磁阻探头输出引脚(15)，所述隧道磁阻探头(10)通过隧道磁阻探头电源引脚(11)、隧道磁阻探头地线引脚(12)与电源模块(4)连接，所述隧道磁阻探头(10)通过第一隧道磁阻探头输出引脚(14)、第二隧道磁阻探头输出引脚(15)与锁相放大器(6)连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统，其特征在于：所述敏感单元桥丝(9)与隧道磁阻探头(10)通过低密度的聚乙烯脂固定在双脊形波导(3)的中轴线上，所述敏感单元桥丝(9)与隧道磁阻探头(10)中心点的距离为两毫米。

5.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测系统，其特征在于：所述双脊形波导(3)采用铜加工制成。

6.一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、打开测试仪器设备，预热并达到稳定工作状态；

S2、使用第一射频信号源向双脊形波导内发射交流信号，双脊形波导腔体内部形成均匀恒定的辐射场，控制第一射频信号源发射信号的频率与幅值；

S3、控制电路正常工作，且不发出控制信号；

S4、调节第二射频信号源向锁相放大器提供参考信号；

S5、通过锁相放大器检测隧道磁阻探头的输出电压值，并记录；

S6、固定第一射频信号源发射信号的频率不变，增大发射信号的幅值，重复S2到S5，直至隧道磁阻探头输出电压值开始衰减；

S7、增大第一射频信号源发射信号的频率并固定，重复S6；

S8、在测试频率范围内扫描，保持场强值持续增加，达到极限值要求，监视敏感单元桥丝是否受到干扰环境的影响；

S9、当第一射频信号源的频率与幅值的改变，隧道磁阻探头输出开始衰减，测试结束，利用敏感单元桥丝上感应电流与隧道磁阻探头输出电压值的理论模型，间接得到待检测的感应电流值大小。

7.根据权利要求6所述的一种基于锁相放大的非接触式感应电流检测方法，其特征在于：所述S8中监视敏感单元桥丝是否受到干扰环境的影响的方法采用步进扫描方式，每一频率上至少驻留5s，保证电磁环境没有波动、隧道磁阻探头工作稳定。

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