CN111721983A - 一种电流测量钳表 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电流测量钳表，包括：可开合的环形磁芯、交流激励线圈、直流激励线圈、感应线圈、交流激励电路、直流激励电路、直流采样电路和处理模块。交流激励电路用于产生交流激励信号，感应线圈在交流激励线圈中交流激励信号产生的第一磁场和被测电流产生的第二磁场作用下生成感应信号，直流激励电路根据感应信号生成直流激励信号，直流采样电路采集直流激励电路输出的直流激励信号得到第一采样信号，处理模块根据第一采样信号计算出被测电流。由于无需设置霍尔传感器，因此，环形磁芯不存在气隙或气隙非常小，测量不受环境温度影响，在测量大电流时，无需通过增大气隙来防止磁芯饱和，因此，提高了测量精度。

Description

一种电流测量钳表

技术领域

本发明涉及电流检测技术领域，尤其涉及一种电流测量钳表。

背景技术

在电力系统中，经常需要对一次设备的状态进行检测。具体的，通过检测一次回路中的直流大电流来判断一次设备是否良好，因此对一次回路中的直流大电流的测量显得尤为重要。

在实际应用中的电流测量钳表通常是利用霍尔传感器的开口式开环钳表，图1利用霍尔传感器的开口式开环钳表的电路结构示意图，霍尔传感器10设置于磁芯20之间，导致磁芯20没有完全闭合，存在间隙。利用磁芯20中感应磁场的磁场强度和被测电流的线性关系来测量载流导线30(被测导线)的被测电流。为该类型钳表存在以下缺点：

1、霍尔传感器的精度有限；

2、霍尔传感器受温度影响严重，不同的环境温度对测量结构影响较大；

4、由于霍尔传感器的存在，磁芯不可避免地存在气隙，载流导线(被测导线)的在钳表中的位置对测量结果影响巨大；

3、在测量大电流应用中，由于电流过大，可能使磁芯达到过饱和，导致感应磁场的磁场强度与被测电流的线性关系丧失，进而无法测得被测电流。为了避免磁芯饱和，通常需要增大气隙，但是气隙增大的同时也增加了磁场的边缘效应，降低了测量精度。

上述因素都会导致该类型钳表的测量精度不高。

发明内容

本发明实施例提供了一种电流测量钳表，无需设置霍尔传感器，因此，环形磁芯不存在气隙或气隙非常小，测量不受环境温度影响，在测量大电流时，无需通过增大气隙来防止磁芯饱和，因此，提高了测量精度。

本发明实施例提供了一种电流测量钳表，包括：可开合的环形磁芯、交流激励线圈、直流激励线圈、感应线圈、交流激励电路、直流激励电路、直流采样电路和处理模块；

所述交流激励线圈、所述直流激励线圈和所述感应线圈均缠绕在所述环形磁芯上；

所述交流激励电路用于产生交流激励信号，并将所述交流激励信号传输给所述交流激励线圈；

所述感应线圈用于在所述交流激励线圈中交流激励信号产生的第一磁场和被测电流产生的第二磁场作用下生成感应信号，并将所述感应信号传输给所述直流激励电路；

所述直流激励电路用于根据所述感应信号生成直流激励信号，并将所述直流激励信号传输给所述直流激励线圈，以使所述直流激励线圈产生与所述第二磁场相互抵消的第三磁场；

所述直流采样电路用于采集所述直流激励电路输出的直流激励信号得到第一采样信号，并将所述第一采样信号传输给所述处理模块；

所述处理模块用于根据所述第一采样信号计算出所述被测电流。

可选的，交流激励电路包括：全桥单元、滤波单元和第一采样单元；

所述处理模块还包括控制信号输出单元；

所述控制信号输出单元的第一输入端用于输入参考激励信号，所述控制信号输出单元的输出端与所述全桥单元的控制端连接；

所述全桥单元的输入端用于输入电源信号，所述全桥单元的输出端与所述滤波单元的输入端连接；

所述滤波单元的输出端与所述交流激励线圈连接；

所述第一采样单元的输入端与所述滤波单元的输出端连接，所述第一采样单元的输出端与所述控制信号输出单元的第二输入端连接，所述第一采样单元用于采集所述滤波单元输出的交流激励信号得到第二采样信号，并传输给所述控制信号输出单元；

所述控制信号输出单元用于对所述参考激励信号和所述第二采样信号作比例积分微分调节后生成控制信号，所述全桥单元用于根据所述控制信号生成方波信号，所述滤波单元用于对所述方波信号进行滤波，生成正弦波信号，并将所述正弦波信号作为所述交流激励信号输出给所述交流激励线圈。

可选的，所述全桥单元包括：第一处理芯片、第二处理芯片，交流采样电阻，以及由第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管和第四开关晶体管组成的全桥电路；

所述控制信号输出单元的输出端包括两个第一子输出端和两个第二子输出端，两个所述第一子输出端分别用于输出互补的第一PWM信号和第二PWM信号，两个所述第二子输出端分别用于输出互补的第三PWM信号和第四PWM信号；

所述第一处理芯片的两个控制信号输入端分别与两个所述第一子输出端连接，分别用于接收所述第一PWM信号和所述第二PWM信号，所述第一处理芯片分别对所述第一PWM信号和所述第二PWM信号进行升压，得到第一开关信号和第二开关信号；

所述第二处理芯片的两个控制信号输入端分别与两个所述第二子输出端连接，分别用于接收所述第三PWM信号和所述第四PWM信号，所述第二处理芯片分别对所述第三PWM信号和所述第四PWM信号进行升压，得到第三开关信号和第四开关信号；

所述第一处理芯片的两个开关信号输出端分别与所述第一开关晶体管的控制端和所述第三开关晶体管的控制端连接，所述第一处理芯片用于分别向所述第一开关晶体管的控制端和所述第三开关晶体管的控制端发送第一开关信号和第二开关信号；

所述第二处理芯片的两个开关信号输出端分别与所述第二开关晶体管的控制端和所述第四开关晶体管的控制端连接，所述第二处理芯片用于分别向所述第二开关晶体管的控制端和所述第四开关晶体管的控制端发送第三开关信号和第四开关信号；

所述第一开关晶体管的第一端和所述第二开关晶体管的第一端用于输入全桥电源信号，所述第一开关晶体管的第二端与所述第三开关晶体管的第一端连接，所述第二开关晶体管的第二端与所述第四开关晶体管的第二端连接，所述第三开关晶体管的第二端和所述第四开关晶体管的第二端接地；

所述交流采样电阻的第一端与所述第一开关晶体管的第二端连接，所述交流采样电阻的第二端与所述交流激励线圈的第一端连接，所述交流激励线圈的第二端与所述滤波单元的输出端连接，所述滤波单元的输入端与所述第二开关晶体管的第二端连接。

可选的，所述滤波单元包括滤波电容，所述滤波电容的第一端与所述第二开关晶体管的第二端连接，所述滤波电容的第二端与所述交流激励线圈的第二端连接。

可选的，所述第一采样单元包括第一跟随器和第一运算放大器；

所述第一运算放大器的正向输入端与所述交流采样电阻的第一端连接，所述第一运算放大器的反向输入端与所述交流采样电阻的第二端连接，所述第一运算放大器的输出端分别与所述控制信号输出单元的第二输入端和所述第一运算放大器的反向输入端连接；

所述第一跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第一跟随器的输出端分别与所述第一跟随器的反向输入端和所述第一运算放大器的正向输入端连接。

可选的，所述直流激励电路包括：第二采样单元和电压放大单元；

所述处理模块还包括计算单元；

所述第二采样单元的输入端与所述感应线圈连接，所述第二采样单元的输出端与所述计算单元的输入端连接，所述第二采样单元用于采集所述感应线圈的感应信号得到第三采样信号，并传输给所述计算单元；

所述计算单元的输出端与所述电压放大单元的输入端连接，所述电压放大单元的输出端与所述直流激励线圈连接，所述计算单元用于根据所述第三采样信号计算出所述感应信号的正负半周的平均值的差值，并传输给所述电压放大电路；

所述电压放大电路的输出端与所述直流激励线圈连接，所述电压放大电路用于将所述感应信号的正负半周的平均值的差值进行放大，得到所述直流激励信号，并传输给所述直流激励线圈。

可选的，所述第二采样单元包括：第二跟随器和第二运算放大器；

所述第二运算放大器的正向输入端与所述感应线圈的第一端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与所述感应线圈的第二端连接，所述第二运算放大器的输出端分别与所述计算单元的输入端和所述第二运算放大器的反向输入端；

所述第二跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第二跟随器的输出端分别与所述第二跟随器的反向输入端和所述第二运算放大器的正向输入端连接。

可选的，所述电压放大单元包括：电压放大芯片和直流采样电阻；

所述电压放大芯片的第一输入端与所述计算单元的输出端连接，所述电压放大芯片的第二输入端用于输入参考电压，所述电压放大芯片的输出端与所述直流激励线圈的第一端连接，所述直流激励线圈的第二端与所述直流采样电阻的第一端连接，所述直流采样电阻的第二端接地。

可选的，所述直流采样电路包括：第三跟随器和第三运算放大器；

所述第三运算放大器的正向输入端与所述直流采样电阻的第一端连接，所述第三运算放大器的反向输入端与所述直流采样电阻的第二端连接，所述第三运算放大器的输出端分别与所述处理模块和所述第三运算放大器的反向输入端连接；

所述第三跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第三跟随器的输出端分别与所述第三跟随器的反向输入端和所述第三运算放大器的正向输入端连接。

可选的，所述电压放大单元还包括第四跟随器；

所述第四跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第四跟随器的输出端分别于所述第四跟随器的反向输入端和所述电压放大芯片的第二输入端连接，所述第四跟随器用于将所述偏移电压转换为所述参考电压并传输给所述电压放大芯片。

本发明实施例提供的电流测量钳表，包括：可开合的环形磁芯、交流激励线圈、直流激励线圈、感应线圈、交流激励电路、直流激励电路、直流采样电路和处理模块。交流激励电路用于产生交流激励信号，并传输给交流激励线圈。感应线圈在交流激励线圈中交流激励信号产生的第一磁场和被测电流产生的第二磁场作用下生成感应信号。直流激励电路根据感应信号生成直流激励信号，直流激励线圈在直流激励信号的作用下产生与第二磁场相互抵消的第三磁场。直流采样电路采集直流激励电路输出的直流激励信号得到第一采样信号，处理模块根据第一采样信号计算出被测电流。本发明实施例提供的电流测量钳表，通过采集激励电路输出的直流激励信号得到第一采样信号，处理模块根据第一采样信号计算出被测电流，由于无需设置霍尔传感器，因此，环形磁芯不存在气隙或气隙非常小，测量不受环境温度影响，在测量大电流时，无需通过增大气隙来防止磁芯饱和，因此，提高了测量精度。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1利用霍尔传感器的开口式开环钳表的电路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电流测量钳表的电路结构框图；

图3为被测导线中无电流时环形磁芯的磁滞曲线图；

图4为被测导线中存在电流时环形磁芯的磁滞曲线图；

图5为本发明实施例提供的一种交流激励电路的电路结构框图；

图6为本发明实施例提供的一种全桥单元的电路图；

图7为本发明实施例提供的一种第一采样单元的电路图；

图8为本发明实施例提供的一种直流激励电路的结构框图；

图9为本发明实施例提供的一种第二采样单元的电路图；

图10为本发明实施例提供的一种电压放大单元的电路图；

图11为本发明实施例提供的一种直流采样电路的电路图；

图12为本发明实施例提供的一种处理芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明实施例提供了一种电流测量钳表，该钳表可用于测量电力系统中一次回路的载流导线的电流。图2为本发明实施例提供的一种电流测量钳表的电路结构框图，如图2所示，该电流测量钳表包括：可开合的环形磁芯110、交流激励线圈120、直流激励线圈130、感应线圈140、交流激励电路150、直流激励电路160、直流采样电路170和处理模块180。

其中，环形磁芯110可以开合，使得环形磁芯110可以钳住被测的载流导线，即载流导线穿过环形磁芯110。具体的，在本发明实施例中，环形磁芯110由两个半环形的磁芯拼接而成，其中一个拼接处可以开合。拼接处的缝隙(即气隙)很小或几乎不存在。环形磁芯110可以是由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物，例如，锰-锌铁氧体和镍-锌铁氧体，本发明实施例对环形磁芯的材料在此不做限定。

交流激励线圈120、直流激励线圈130和感应线圈140均缠绕在环形磁芯110上。在本发明实施例中，为了避免影响环形磁芯110的开合，交流激励线圈120、直流激励线圈130和感应线圈140应避免缠绕在两个半环形的磁芯的拼接处。

交流激励电路150与交流激励线圈120连接，用于产生交流激励信号，并将交流激励信号传输给交流激励线圈120。

感应线圈140与直流激励电路160的输入端连接，感应线圈140用于在交流激励线圈120中交流激励信号产生的第一磁场和被测电流产生的第二磁场作用下生成感应信号，并将感应信号传输给直流激励电路160。

直流激励电路160的输出端与直流激励线圈130连接，直流激励电路160用于根据感应信号生成直流激励信号，并将直流激励信号传输给直流激励线圈130，以使直流激励线圈130产生与第二磁场相互抵消的第三磁场。

直流采样电路170与直流激励电路160的输出端连接，用于采集直流激励电路160输出的直流激励信号得到第一采样信号，并将第一采样信号传输给处理模块180。

处理模块180用于根据第一采样信号计算出被测电流的电流值。

具体的，本发明实施例提供的电流测量钳表的工作原理如下：

通过可开合的环形磁芯110钳住载流导线，交流激励电路150产生一个固定频率、固定波形的交变电流(交流激励信号)加到交流激励线圈120上，对交流激励线圈120进行激励。交流激励线圈120产生一个交变磁场(第一磁场)，使环形磁芯110往复磁化达到磁饱和。环形磁芯110中的磁场强度为：

H(t)＝H₀+H_mcosωt

式中，H₀为载流导线中的被测电流在环形磁芯110上的产生的直流磁场(第二磁场)的磁场强度，H_m为交流激励信号在环形磁芯110上产生的交变磁场的磁场强度，ω为交变磁场的角频率。

图3为被测导线中无电流时环形磁芯的磁滞曲线图，如图3所示，当载流导线上不存在电流时，载流导线不会产生磁场，即则H₀为0，H(t)＝H_mcoSωt，则环形磁芯110在交流激励信号的作用下的磁感应强度为：

式中，B_a为磁化曲线饱和段延长线在B轴上的截距，显然，B(t)是对时间轴上下对称的平顶波，根据傅里叶级数分析，它只含奇次谐波不含偶次谐波。磁滞曲线如图3所示，该磁滞曲线关于原点对称。则感应线圈140输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称。

图4为被测导线中存在电流时环形磁芯的磁滞曲线图，如图4所示，当载流导线上存在直流电流时，载流导线会产生直流磁场，即H₀不为0，H(t)＝H₀+H_mcosωt，则环形磁芯110中同时存在直流磁场和激励交变磁场，环形磁芯110在直流磁场和激励交变磁场的作用下的磁感应强度为：

这时，B(t)成为上下不对称的平顶波，根据傅里叶级数分析可知，它不仅含有奇次谐波还含有偶次谐波。直流磁场在交流激励信号的前半周期内促使激励交变磁场使环形磁芯110提前达到饱和，而在交流激励信号的另外半个周期内使环形磁芯110延迟饱和。因此，造成激励周期内正负半周不对称，从而使得感应线圈140输出的感应电动势(感应信号)的曲线中出现振幅差，该振幅差与载流导线中的被测电流所产生的直流磁场成正比。

直流激励电路140根据感应信号生成直流激励信号，并将直流激励信号传输给直流激励线圈130，以使直流激励线圈130产生与第二磁场相互抵消的第三磁场。直流采样电路170与直流激励电路160的输出端连接，用于采集直流激励电路160输出的直流激励信号得到第一采样信号，并将第一采样信号传输给处理模块180。处理模块180用于根据第一采样信号计算出载流导线中的被测电流的电流值。

本发明实施例提供的电流测量钳表，包括：可开合的环形磁芯、交流激励线圈、直流激励线圈、感应线圈、交流激励电路、直流激励电路、直流采样电路和处理模块。交流激励电路用于产生交流激励信号，并传输给交流激励线圈。感应线圈在交流激励线圈中交流激励信号产生的第一磁场和被测电流产生的第二磁场作用下生成感应信号。直流激励电路根据感应信号生成直流激励信号，直流激励线圈在直流激励信号的作用下产生与第二磁场相互抵消的第三磁场。直流采样电路采集直流激励电路输出的直流激励信号得到第一采样信号，处理模块根据第一采样信号计算出被测电流。本发明实施例提供的电流测量钳表，通过采集激励电路输出的直流激励信号得到第一采样信号，处理模块根据第一采样信号计算出被测电流，由于无需设置霍尔传感器，因此，环形磁芯不存在气隙或气隙非常小，测量不受环境温度影响，在测量大电流时，无需通过增大气隙来防止磁芯饱和，因此，提高了测量精度。

在本发明的一些实施例中，交流激励电路包括：全桥单元、滤波单元和第一采样单元。图5为本发明实施例提供的一种交流激励电路的电路结构框图，示例性的，如图5所示，交流激励电路150包括：全桥单元151、滤波单元152和第一采样单元153。处理模块180还包括控制信号输出单元181，即在本发明实施例中控制信号输出单元181集成于处理模块180中。

控制信号输出单元181的第一输入端用于输入参考激励信号，控制信号输出单元181的输出端与全桥单元151的控制端连接。具体的，参考激励信号可以由外部电路提供，参考激励信号可以为交变电流信号，参考激励信号需足够大，确保参考激励信号产生的磁场能够使环形磁芯110达到磁饱和。

全桥单元151的输入端用于输入电源信号VCC，全桥单元151的输出端与滤波单元152的输入端连接。

滤波单元152的输出端与交流激励线圈120连接。

第一采样单元153的输入端与滤波单元152的输出端连接，第一采样单元153的输出端与控制信号输出单元181的第二输入端连接，第一采样单元153用于采集滤波单元152输出的交流激励信号得到第二采样信号，并将第二采样信号传输给控制信号输出单元181。

具体的，控制信号输出单元181接收参考激励信号和第二采样信号，对参考激励信号和第二采样信号作比例积分微分调节后生成控制信号。全桥单元151根据控制信号生成方波信号，滤波单元152对方波信号进行滤波，生成正弦波信号，并将正弦波信号作为交流激励信号输出给交流激励线圈120。

本发明实施例通过对交流激励线圈施加正弦波形的交流激励信号，大大降低了各次谐波，且只需要对感应电动势的正负半周分别采样，利用反馈控制得到直流激励线圈中的直流激励电流，抵消环形磁芯中的被测电流产生的直流磁场强度分量，不需要对各次谐波进行补偿。

在本发明的一些实施例中，全桥单元包括：第一处理芯片、第二处理芯片，交流采样电阻，以及由第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管和第四开关晶体管组成的全桥电路。图6为本发明实施例提供的一种全桥单元的电路图，示例性的，如图6所示，全桥单元151包括：第一处理芯片U1、第二处理芯片U2，交流采样电阻R12、R13，以及由第一开关晶体管Q1、第二开关晶体管Q2、第三开关晶体管Q3和第四开关晶体管Q4组成的全桥电路。

具体的，在本发明实施例中，处理模块控制信号输出单元181的输出端包括两个第一子输出端和两个第二子输出端，两个第一子输出端分别用于输出互补的第一PWM信号(PWM1)和第二PWM信号(PWM2)，两个第二子输出端分别用于输出互补的第三PWM信号(PWM3)和第四PWM信号(PWM4)。其中，互补的两个PWM信号表示该两个PWM信号的高低电平互补，即当其中一个PWM信号为高电平时，另一PWM信号为低电平。

在本实施例中，第一处理芯片U1的型号为IR2304S，第一处理芯片U1的两个控制信号输入端LIN和HIN分别与两个第一子输出端连接，分别用于接收第一PWM信号(PWM1)和第二PWM信号(PWM2)，第一处理芯片分别对第一PWM信号和第二PWM信号进行升压，得到第一开关信号Vgs1和第二开关信号Vgs2，并分别由第一处理芯片U1的两个开关信号输出端LO和HO输出。

第二处理芯片U2的型号为IR2304S，第二处理芯片U2的两个控制信号输入端LIN和HIN分别与两个第二子输出端连接，分别用于接收第三PWM信号(PWM3)和第四PWM信号(PWM4)，第二处理芯片U2分别对第三PWM信号和第四PWM信号进行升压，得到第三开关信号Vgs3和第四开关信号Vgs4，并分别由第二处理芯片U2的两个开关信号输出端LO和HO输出。

第一处理芯片U1的两个开关信号输出端LO和HO分别与第一开关晶体管Q1的控制端和第三开关晶体管Q3的控制端连接，第一处理芯片U1用于分别向第一开关晶体管Q1的控制端和第三开关晶体管Q3的控制端发送第一开关信号Vgs1和第二开关信号Vgs2。

第二处理芯片U2的两个开关信号输出端LO和HO分别与第二开关晶体管Q2的控制端和第四开关晶体管Q4的控制端连接，第二处理芯片U2用于分别向第二开关晶体管Q2的控制端和第四开关晶体管Q4的控制端发送第三开关信号Vgs3和第四开关信号Vgs4。

第一开关晶体管Q1的第一端和第二开关晶体管Q2的第一端用于输入全桥电源信号VCC，第一开关晶体管Q1的第二端与第三开关晶体管Q3的第一端连接，第二开关晶体管Q2的第二端与第四开关晶体管Q4的第二端连接，第三开关晶体管Q3的第二端和第四开关晶体管Q4的第二端接地。

交流采样电阻R12和R13并联，并联后的第一端与第一开关晶体管Q1的第二端连接，并联后的第二端与交流激励线圈120的第一端连接，交流激励线圈120的第二端与滤波单元152的输出端连接，滤波单元152的输入端与第二开关晶体管Q2的第二端连接。

具体的，在本发明实施例中，滤波单元152包括滤波电容C12，滤波电容C12的第一端与第二开关晶体管Q2的第二端连接，滤波电容C12的第二端与交流激励线圈120的第二端连接。

在本发明的一些实施例中，第一采样单元包括第一跟随器和第一运算放大器。图7为本发明实施例提供的一种第一采样单元的电路图，示例性的，如图7所示，第一采样单元153包括第一跟随器U5B和第一运算放大器U5A。在一具体实施例中，第一跟随器U5B和第一运算放大器U5A属于同一运算放大芯片的不同部分，该运算放大芯片的型号为OPA2277UA。

第一运算放大器U5A的正向输入端通过电阻R33与交流采样电阻的第一端连接，用于采集交流采样电阻的第一端的电信号Iout1+。第一运算放大器U5A的反向输入端通过电阻R27与交流采样电阻的第二端连接，用于采集交流采样电阻的第二端的电信号Iout1-。第一运算放大器U5A的输出端通过电阻R30与控制信号输出单元181的第二输入端连接，第一运算放大器U5A的输出端通过电阻R24与第一运算放大器U5A的反向输入端连接。此外，控制信号输出单元181的第二输入端还连接滤波电容C14，滤波电容C14用于滤除第一运算放大器U5A的输出端输出的信号中的噪声信号。

第一跟随器U5B的正向输入端用于输入偏移电压Vp，具体的，在本实施例中，偏移电压Vp通过分压电阻R39输入第一跟随器U5B的正向输入端，分压电阻R42一端接地，分压电阻R42另一端与第一跟随器U5B的正向输入端连接。第一跟随器U5B的输出端与第一跟随器U5B的反向输入端连接，第一跟随器U5B的输出端通过电阻R36与第一运算放大器U5A的正向输入端连接。

具体的，第一运算放大器U5A对Iout1+和Iout1-做差运算，并放大，得到第二采样信号Iout1，并将第二采样信号Iout1传输给控制信号输出单元181，控制信号输出单元181将输入的参考激励信号和第二采样信号Iout1做比例积分微分调节后生成新的控制信号，并传输给全桥单元151的控制端。通过第一采样单元153采集交流激励电路的输出端输出的交流激励信号得到第二采样信号Iout1，并反馈给控制信号输出单元181，由控制信号输出单元181对输入的参考激励信号和第二采样信号Iout1做比例积分微分调节，进而实现对控制信号输出单元181输出的控制信号进行反馈调节，提高交流激励信号的控制精度。

在上述实施例中，由于第二采样信号Iout1的电压为Iout1+和Iout1-的差值，因此，存在第二采样信号Iout1的电压为负值的情况，而控制信号输出单元181无法识别负值电压，因此，需要通过第一跟随器U5B向第一运算放大器U5A输送一个偏移电压Vp，偏移电压Vp为3.3V，经第一跟随器U5B后，对第一运算放大器U5A施加一个1.5V的偏置电压，使得第二采样信号Iout1的电压始终为正值。

在本发明的一些实施例中，直流激励电路包括：第二采样单元和电压放大单元。图8为本发明实施例提供的一种直流激励电路的结构框图，示例性的，如图8所示，直流激励电路160包括：第二采样单元161和电压放大单元162。处理模块180还包括计算单元182，即计算单元182集成于处理模块180中。

第二采样单元161的输入端与感应线圈140连接，第二采样单元161的输出端与计算单元182的输入端连接，第二采样单元161用于采集感应线圈的感应信号得到第三采样信号，并传输给计算单元182。

计算单元182的输出端与电压放大单元162的输入端连接，电压放大单元162的输出端与直流激励线圈130连接，计算单元182用于根据第三采样信号计算出感应信号的正负半周的平均值的差值，并传输给电压放大电路162。

电压放大电路162的输出端与直流激励线圈130连接，电压放大电路162用于将感应信号的正负半周的平均值的差值进行放大，得到直流激励信号，并传输给直流激励线圈130。

图9为本发明实施例提供的一种第二采样单元的电路图，示例性的，如图9所示，第二采样单元161包括：第二跟随器U4B和第二运算放大器U4A。在一具体实施例中，第二跟随器U4B和第二运算放大器U4A属于同一运算放大芯片的不同部分，该运算放大芯片的型号为OPA2277UA。

第二运算放大器U4A的正向输入端通过电阻R32与感应线圈140的第一端连接，第二运算放大器U4A的反向输入端通过电阻R26与感应线圈140的第二端连接，第二运算放大器U4A的输出端通过电阻R23与第二运算放大器U4A的反向输入端连接，第二运算放大器U4A的输出端通过电阻R29与计算单元182的输入端连接。此外，计算单元182的输入端还连接滤波电容C13，滤波电容C13用于滤除第二运算放大器U4A的输出端输出的信号中的噪声信号。

第二跟随器U4B的正向输入端用于输入偏移电压Vp，具体的，在本实施例中，偏移电压Vp通过分压电阻R38输入第二跟随器U4B的正向输入端，分压电阻R41一端接地，分压电阻R41另一端与第二跟随器U4B的正向输入端连接。第二跟随器U4B的输出端与第二跟随器U4B的反向输入端连接，第二跟随器U4B的输出端通过电阻R35与第二运算放大器U4A的正向输入端连接。

具体的，第二运算放大器U4A对正向输入端和反向输入端输入的电信号做差运算，并放大，得到第三采样信号Um，并将第三采样信号Um传输给计算单元182，计算单元182根据第三采样信号计算出感应信号的正负半周的平均值的差值Uac，并传输给电压放大电路162。

在本发明的一些实施例中，电压放大单元包括：电压放大芯片和直流采样电阻。图10为本发明实施例提供的一种电压放大单元的电路图，如图10所示，电压放大单元162包括：电压放大芯片U2和直流采样电阻R8、R9、R10、R11、R14、R15、R16、R17。

电压放大芯片U2的型号为OPA547F，电压放大芯片U2的第一输入端Vin-通过电阻R5与计算单元182的输出端，用于接收感应信号的正负半周的平均值的差值Uac。电压放大芯片的第二输入端Vin+通过电阻R2输入参考电压Vc，电压放大芯片U2的输出端Vout与直流激励线圈130的第一端连接，直流激励线圈130的第二端与直流采样电阻的第一端连接，直流采样电阻的第二端接地。本发明实施例中，电阻R8、R9、R10、R11的公共节点与直流激励线圈130的第二端连接，电阻R8、R9、R10、R11分别于R14、R15、R16、R17连接，电阻R14、R15、R16、R17的公共节点接地。文中直流采样电阻的第一端为电阻R8、R9、R10、R11的公共节点，直流采样电阻的第二端为电阻R14、R15、R16、R17的公共节点。

在上述实施例中，电压放大单元162还包括电阻R1、电阻R18、电容C1、电容C2、电容C3、电容C5、电容C6和电容C7。其中，电阻R1的一端与电压放大芯片U2的第二输入端Vin+连接，电阻R1的另一端接地。电容C2的一端接地，另一端与电压放大芯片U2的第二输入端Vin+连接。电阻R18的一端与电压放大芯片U2的第一输入端Vin-连接，电阻R18的另一端与电压放大芯片U2的输出端Vout连接。电容C1的一端与电压放大芯片U2的第一电源输入端V+连接，另一端接地。电容C3的一端与电压放大芯片U2的第一电源输入端V+连接，另一端接地。电容C1和C3起到稳压和滤波的作用。电容C5与电压放大芯片U2的第二电源输入端V-连接，另一端接地。电容C6与电压放大芯片U2的第二电源输入端V-连接，另一端接地。电压放大芯片U2的第一电源输入端V+用于输入第一工作电源信号(+12V)，电压放大芯片U2的第二电源输入端V-用于输入第二工作电源信号(-12V)。电容C7的一端与电压放大芯片U2的第一输入端Vin-连接，另一端与电压放大芯片U2的输出端Vout连接。

由于计算单元182的输出端输出的感应信号的正负半周的平均值的差值Uac始终未正值，所以后续无法检测处被测电流的方向。因此，为了测得被测电流的方向，电压放大芯片U2的第二输入端Vin+输入参考电压Vc，通过判断Uac与Vc的大小关系，确定电压放大芯片U2的输出端Vout输出的直流激励信号的方向，进而可以根据直流激励信号的方向确定被测电流的方向。

在上述实施例中，如图10所示，电压放大单元162还包括第四跟随器U8B，第四跟随器U8B的正向输入端通过分压电阻R45输入偏移电压Vp，具体的，在本实施例中，偏移电压Vp通过分压电阻R45输入第四跟随器U8B的正向输入端，分压电阻R46一端接地，分压电阻R46另一端与第四跟随器U8B的正向输入端连接。第四跟随器U8B的输出端与第四跟随器U8B的反向输入端连接，第四跟随器U8B的输出端与电压放大芯片U2的第二输入端Vin+连接，用于向电压放大芯片U2传输参考电压Vc。

在本发明的一些实施例中，直流采样电路包括：第三跟随器和第三运算放大器。图11为本发明实施例提供的一种直流采样电路的电路图，示例性的，如图11所示，直流采样电路170包括：第三跟随器U6B和第三运算放大器U6A。

其中，第三运算放大器U6A的正向输入端通过电阻R34与直流采样电阻的第一端连接，用于接收电信号Iout2+，第三运算放大器U6A的反向输入端与直流采样电阻的第二端连接，用于接收电信号Iout2-，第三运算放大器U6A的输出端通过电阻R31与处理模块180连接，第三运算放大器U6A的输出端通过电阻R25与第三运算放大器U6A的反向输入端连接。此外，处理模块180的输入端还连接滤波电容C15，滤波电容C15用于滤除第三运算放大器U6A的输出端输出的信号中的噪声信号。

第三跟随器U6B的正向输入端用于输入偏移电压Vp，具体的，在本实施例中，偏移电压Vp通过分压电阻R40输入第三跟随器U6B的正向输入端，分压电阻R43一端接地，分压电阻R43另一端与第三跟随器U6B的正向输入端连接。第三跟随器U6B的输出端与第三跟随器U6B的反向输入端连接，第三跟随器U6B的输出端通过电阻R37与第三运算放大器U6A的正向输入端连接。

具体的，第三运算放大器U6A对Iout2+和Iout2-做差运算，并放大，得到第一采样信号Iout2，并将第一采样信号Iout2传输给处理模块180，处理模块180通过计算，得到被测电流的电流值和方向。

在上述实施例中，由于第一采样信号Iout2的电压为Iout2+和Iout2-的差值，因此，存在第一采样信号Iout2的电压为负值的情况，而处理模块180无法识别负值电压，因此，需要通过第三跟随器U6B向第三运算放大器U6A输送一个偏移电压Vp，偏移电压Vp为3.3V，经第三跟随器U6B后，对第三运算放大器U6A施加一个1.5V的偏置电压，使得第一采样信号Iout2的电压始终为正值。

在本上述实施例中，控制信号输出单元181、计算单元182均为处理模块180中的功能单元，处理模块180为一处理芯片U7，处理芯片U7型号为STM32F405RGT6。图12为本发明实施例提供的一种处理芯片的结构示意图，示例性的，如图12所示，处理芯片U7包括U7A、U7B、U7C、U7D和外围电路。

其中，U7A集成了控制信号输出单元181、计算单元182和计算被测电流的计算单元，设置有用于输出PWM1、PWM2、PWM3、PWM4和Uac的输出端口，以及用于接收Iout1、Iout2和Um的输入端口。U7B的端口在本发明实施例中没有使用到，均为悬空状态。U7C包括BOOT引脚、VCAP引脚、晶振信号输入引脚和晶振信号输出引脚。其中。BOOT引脚用于接收BOOT信号，且BOOT引脚通过电阻R44接地。VCAP引脚通过电容C17接地。晶振信号输入引脚用于接收外部晶振信号，晶振信号输出引脚用于向外部输出晶振信号。U7D主要负责产生其他电路所需的工作电源，U7D的VBAT引脚用于接收外部电源，VDD引脚和VDDA引脚用于输出偏移电压(3.3V)，VSS引脚和VSSA引脚接地。

外围电路包括电容C18、C19、C20、C21、C22、C23、振荡器OSC、电容C24、C25和电感L1。电容C18、C19、C20、C21、C22、C23并联，一个公共节点接地，另一个公共节点与U7D的VDD引脚和VDDA引脚连接。电感L1的一端用于输入工作电压(与U7D的VDD引脚或VDDA引脚连接，工作电压为3.3V)，电感L1的另一端与振荡器OSC的电源引脚VCC连接。电容C24、C25的一端与振荡器OSC的电源引脚VCC连接，电容C24、C25的另一端接地。振荡器OSC的输出端OUT与U7C的晶振信号输入引脚连接，用于向U7C发送晶振信号。振荡器OSC的接地引脚GND接地。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电流测量钳表，其特征在于，包括：可开合的环形磁芯、交流激励线圈、直流激励线圈、感应线圈、交流激励电路、直流激励电路、直流采样电路和处理模块；

所述交流激励线圈、所述直流激励线圈和所述感应线圈均缠绕在所述环形磁芯上；

所述交流激励电路用于产生交流激励信号，并将所述交流激励信号传输给所述交流激励线圈；

所述感应线圈用于在所述交流激励线圈中交流激励信号产生的第一磁场和被测电流产生的第二磁场作用下生成感应信号，并将所述感应信号传输给所述直流激励电路；

所述直流激励电路用于根据所述感应信号生成直流激励信号，并将所述直流激励信号传输给所述直流激励线圈，以使所述直流激励线圈产生与所述第二磁场相互抵消的第三磁场；

所述直流采样电路用于采集所述直流激励电路输出的直流激励信号得到第一采样信号，并将所述第一采样信号传输给所述处理模块；

所述处理模块用于根据所述第一采样信号计算出所述被测电流。

2.根据权利要求1所述的电流测量钳表，其特征在于，交流激励电路包括：全桥单元、滤波单元和第一采样单元；

所述处理模块还包括控制信号输出单元；

所述控制信号输出单元的第一输入端用于输入参考激励信号，所述控制信号输出单元的输出端与所述全桥单元的控制端连接；

所述全桥单元的输入端用于输入电源信号，所述全桥单元的输出端与所述滤波单元的输入端连接；

所述滤波单元的输出端与所述交流激励线圈连接；

所述第一采样单元的输入端与所述滤波单元的输出端连接，所述第一采样单元的输出端与所述控制信号输出单元的第二输入端连接，所述第一采样单元用于采集所述滤波单元输出的交流激励信号得到第二采样信号，并传输给所述控制信号输出单元；

所述控制信号输出单元用于对所述参考激励信号和所述第二采样信号作比例积分微分调节后生成控制信号，所述全桥单元用于根据所述控制信号生成方波信号，所述滤波单元用于对所述方波信号进行滤波，生成正弦波信号，并将所述正弦波信号作为所述交流激励信号输出给所述交流激励线圈。

3.根据权利要求2所述的电流测量钳表，其特征在于，所述全桥单元包括：第一处理芯片、第二处理芯片，交流采样电阻，以及由第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管和第四开关晶体管组成的全桥电路；

所述控制信号输出单元的输出端包括两个第一子输出端和两个第二子输出端，两个所述第一子输出端分别用于输出互补的第一PWM信号和第二PWM信号，两个所述第二子输出端分别用于输出互补的第三PWM信号和第四PWM信号；

所述第一处理芯片的两个控制信号输入端分别与两个所述第一子输出端连接，分别用于接收所述第一PWM信号和所述第二PWM信号，所述第一处理芯片分别对所述第一PWM信号和所述第二PWM信号进行升压，得到第一开关信号和第二开关信号；

所述第二处理芯片的两个控制信号输入端分别与两个所述第二子输出端连接，分别用于接收所述第三PWM信号和所述第四PWM信号，所述第二处理芯片分别对所述第三PWM信号和所述第四PWM信号进行升压，得到第三开关信号和第四开关信号；

所述第一处理芯片的两个开关信号输出端分别与所述第一开关晶体管的控制端和所述第三开关晶体管的控制端连接，所述第一处理芯片用于分别向所述第一开关晶体管的控制端和所述第三开关晶体管的控制端发送第一开关信号和第二开关信号；

所述第二处理芯片的两个开关信号输出端分别与所述第二开关晶体管的控制端和所述第四开关晶体管的控制端连接，所述第二处理芯片用于分别向所述第二开关晶体管的控制端和所述第四开关晶体管的控制端发送第三开关信号和第四开关信号；

所述第一开关晶体管的第一端和所述第二开关晶体管的第一端用于输入全桥电源信号，所述第一开关晶体管的第二端与所述第三开关晶体管的第一端连接，所述第二开关晶体管的第二端与所述第四开关晶体管的第二端连接，所述第三开关晶体管的第二端和所述第四开关晶体管的第二端接地；

所述交流采样电阻的第一端与所述第一开关晶体管的第二端连接，所述交流采样电阻的第二端与所述交流激励线圈的第一端连接，所述交流激励线圈的第二端与所述滤波单元的输出端连接，所述滤波单元的输入端与所述第二开关晶体管的第二端连接。

4.根据权利要求3所述的电流测量钳表，其特征在于，所述滤波单元包括滤波电容，所述滤波电容的第一端与所述第二开关晶体管的第二端连接，所述滤波电容的第二端与所述交流激励线圈的第二端连接。

5.根据权利要求3所述的电流测量钳表，其特征在于，所述第一采样单元包括第一跟随器和第一运算放大器；

所述第一运算放大器的正向输入端与所述交流采样电阻的第一端连接，所述第一运算放大器的反向输入端与所述交流采样电阻的第二端连接，所述第一运算放大器的输出端分别与所述控制信号输出单元的第二输入端和所述第一运算放大器的反向输入端连接；

所述第一跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第一跟随器的输出端分别与所述第一跟随器的反向输入端和所述第一运算放大器的正向输入端连接。

6.根据权利要求1所述的电流测量钳表，其特征在于，所述直流激励电路包括：第二采样单元和电压放大单元；

所述处理模块还包括计算单元；

所述第二采样单元的输入端与所述感应线圈连接，所述第二采样单元的输出端与所述计算单元的输入端连接，所述第二采样单元用于采集所述感应线圈的感应信号得到第三采样信号，并传输给所述计算单元；

所述计算单元的输出端与所述电压放大单元的输入端连接，所述电压放大单元的输出端与所述直流激励线圈连接，所述计算单元用于根据所述第三采样信号计算出所述感应信号的正负半周的平均值的差值，并传输给所述电压放大电路；

所述电压放大电路的输出端与所述直流激励线圈连接，所述电压放大电路用于将所述感应信号的正负半周的平均值的差值进行放大，得到所述直流激励信号，并传输给所述直流激励线圈。

7.根据权利要求6所述的电流测量钳表，其特征在于，所述第二采样单元包括：第二跟随器和第二运算放大器；

所述第二运算放大器的正向输入端与所述感应线圈的第一端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与所述感应线圈的第二端连接，所述第二运算放大器的输出端分别与所述计算单元的输入端和所述第二运算放大器的反向输入端；

所述第二跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第二跟随器的输出端分别与所述第二跟随器的反向输入端和所述第二运算放大器的正向输入端连接。

8.根据权利要求6所述的电流测量钳表，其特征在于，所述电压放大单元包括：电压放大芯片和直流采样电阻；

所述电压放大芯片的第一输入端与所述计算单元的输出端连接，所述电压放大芯片的第二输入端用于输入参考电压，所述电压放大芯片的输出端与所述直流激励线圈的第一端连接，所述直流激励线圈的第二端与所述直流采样电阻的第一端连接，所述直流采样电阻的第二端接地。

9.根据权利要求8所述的电流测量钳表，其特征在于，所述直流采样电路包括：第三跟随器和第三运算放大器；

所述第三运算放大器的正向输入端与所述直流采样电阻的第一端连接，所述第三运算放大器的反向输入端与所述直流采样电阻的第二端连接，所述第三运算放大器的输出端分别与所述处理模块和所述第三运算放大器的反向输入端连接；

所述第三跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第三跟随器的输出端分别与所述第三跟随器的反向输入端和所述第三运算放大器的正向输入端连接。

10.根据权利要求8所述的电流测量钳表，其特征在于，所述电压放大单元还包括第四跟随器；

所述第四跟随器的正向输入端用于输入偏移电压，所述第四跟随器的输出端分别于所述第四跟随器的反向输入端和所述电压放大芯片的第二输入端连接，所述第四跟随器用于将所述偏移电压转换为所述参考电压并传输给所述电压放大芯片。

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