CN112557736B - 一种导体面电流密度分布的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种导体面电流密度分布的测量系统包括测量探针、电流测量传感器、放大电路和数字信号处理模块；测量探针中探针基材是多层柔性电路板；磁通环线圈阵列是沿面电流密度分布方向布置的多组磁通环线圈；磁通环线圈与信号端子的正负连接线分别布置于基材相邻的两层，且正负连接线最近距离平行布置；电流测量传感器用于测量通流导体总电流幅值；放大电路与输出信号端子连接；数字信号处理模块结合测量探针与电流测量传感器测量结果，可以得到导体面电流密度时空分布。本发明所述的一种导体面电流密度测量方法，基于磁场测量反演，方法有效，外部电路简捷，数字信号处理流程高效，适应于导体交变和瞬态面电流密度时空分布的测量需求。

Description

一种导体面电流密度分布的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及电流密度测量领域，具体涉及一种导体面电流密度分布的测量系统及测量方法。

背景技术

交变或瞬变电流在导体中流动时，会在通流导体的内部和外部产生交变或瞬变的电磁场，变化的磁场在导体或相邻导体中产生的感应电流会在原电流的基础上产生叠加或抵消的效果，出现趋肤效应和临近效应，使电流密度在导体中的分布不均匀。

电流趋肤效应和临近效应广泛存在于电源母线及叠层母排、开关柜汇流排、变压器或电感绕组以及各种电磁装置导电结构中。此外，导体处于复杂的外部变化磁场中和边缘效应也会影响导体中的电流密度分布，这些因素通常会使导体的有效截面积减小，导致损耗增大，温升增加；改变导体局部电磁场分布和辐射发射特征，造成设备或器件的电磁兼容性问题；同时会影响导体所受电磁力分布，带来振动和结构安全性风险。因此，测量和分析导体中高频电流密度的分布特征对于相关设备和装置通流部件的热、结构和电磁特性综合优化设计具有重要意义，需要一种有效的电流密度测量方法，为导体电流密度分布影响因素研究提供必要的实验测试手段和验证方法。

通常，汇流排等导体通流截面在厚度和宽度两维度方向的尺寸差距较大，同时趋肤效应使电流主要分布于导体表面，因此，电力或电磁装置通流导体中的交变或瞬变电流一般具有面电流特征。利用磁场测量反演是测量导体面电流密度的有效方法之一，该方法要求磁场测量与反演的方式有效，磁场传感器尺寸小，能够紧贴被测导体测量。目前，该方法尚未广泛应用，常用的磁场测量传感器体积较大，不易安装布置，测量带宽、精度和分辨率有限，不能满足导体面电流密度分布的测量需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术提出了一种导体面电流密度分布的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括测量探针、电流测量传感器、放大电路和数字信号处理模块；

所述测量探针包括探针基材、磁通环线圈阵列、输出信号端子；

所述探针基材是多层柔性电路板，覆盖在通流导体被测面上；

所述磁通环线圈阵列设置在所述探针基材上，包括沿面电流密度分布方向布置的多组磁通环线圈，所述磁通环线圈的法线与所述探针基材相垂直；

所述输出信号端子设置在所述探针基材上，所述磁通环线圈与信号端子的正负连接线分别布置于所述基材相邻的两层，且所述正负连接线最近距离平行布置；

所述电流测量传感器用于测量通流导体总电流幅值；

所述放大电路与所述输出信号端子连接，用于将所述测量探针采集到的信号进行比例放大；

所述数字信号处理模块用于获取放大电路和电流测量传感器输出的信号，结合测量探针与电流测量传感器测量结果，可以得到导体面电流密度时空分布。

更进一步地，所述探针基材为由聚酰亚胺制成的柔性电路板，能够贴合导体。

更进一步地，所述磁通环线圈在变化的磁场中感应的电压信号可表示为：

其中，B_z为与所述磁通环线圈垂直交链的磁感应强度幅值，u_m为所述磁通环线圈在变化的磁场中感应的电压，N为所述磁通环线圈总匝数，S为每匝线圈平均环绕面积，t为时间参数。

更进一步地，所述磁通环线圈在变化的磁场中感应的电压信号在满足

时为：

其中，J_x为导体面电流密度分量，γ为材料电导率，y为面电流密度分布方向。

更进一步地，所述通流导体以参考点y₀为基准的导体相对面y处电流密度分布：

其中，y_k-1≤y<y_k；i为第i个磁通环线圈，且i＝1～20；k为测量中接入的磁通环线圈数量；γ为材料电导率；J为导体面电流密度。

更进一步地，所述通流导体的参考点电场分量的幅值E_x0为：

其中，y₀为被测导体y方向起始参考点坐标，y_n为被测导体y方向最大参考点坐标，E_x0为该参考点处电场分量E_x的幅值。

更进一步地，所述通流导体的面电流密度分布：

J_x(y,t)＝J_x/y0(y,t)+E_x0×γ。

还提供了一种导体面电流密度分布的测量方法，所述测量方法采用所述测量探针与电流测量传感器相配合的方式，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取磁通环线圈阵列测量输出电压信号U_mi(t)和电流测量传感器测量电流幅值I_m(t)；

步骤2：将所述测量输出电压信号U_mi(t)与所述电流幅值I_m(t)输入数字信号处理模块进行数据处理，获取导体面电流密度分布；

在步骤2中还包括以下步骤：

计算以参考点y₀为基准的导体相对面电流密度分布：

其中，y_k-1≤y<y_k；i为第i个磁通环线圈，i＝1～20；K为测量放大电路的放大系数，N为所述磁通环线圈总匝数，S为每匝线圈平均环绕面积， t为时间参数，γ为材料电导率，k为测量中接入的磁通环线圈数量，J为导体面电流密度；

计算参考点电场分量的幅值E_x0：

其中，E_x0为该参考点处电场分量E_x的幅值；

计算导体面电流密度分布：

J_x(y,t)＝J_x/y0(y,t)+E_x0×γ。

更进一步地，所述测量探针磁通环线圈阵列测量输出电压信号通过测量放大电路进行比例放大，所述输出电压信号为：

U_mi(t)＝K×u_mi(t)

其中，u_mi(t)为所述测量探针磁通环线圈阵列测量电压信号。

更进一步地，所述测量探针单独使用时，所述数字信号处理模块中参考点电场分量幅值参数E_x0置零。

本发明的优点在于：

本发明所述的一种导体面电流密度分布的测量探针，采用柔性电路板结构(Flexible Printed Circuit，FPC)，结构轻便，成本低，适用于不同形状被测导体表面的贴装。同时，线圈电路参数可控，杂散参数较小，测量频率带宽大，并可依据测量空间分辨率与测量精度需求，对磁通环线圈阵列的线圈数量、层数、尺寸、布置方式等进行适应性调整，形成系列化探针规格。

本发明所述的一种导体面电流密度测量方法，该方法基于磁场测量反演，方法有效，外部电路简捷，数字信号处理流程高效，适应于导体交变和瞬态面电流密度时空分布的测量需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种导体面电流密度分布的测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种导体面电流密度分布的测量系统中测量探针的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种导体面电流密度分布的测量系统中磁通环线圈布线的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种导体面电流密度分布的测量系统中数字信号处理流程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种导体面电流密度分布的测量系统获取的一种典型导体面电流密度时空分布测量结果示意图；

图6是本发明实施例提供的一种导体面电流密度分布的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如附图1所示，本发明提出一种导体面电流密度分布的测量系统，该测量系统包括测量探针、电流测量传感器、放大电路和数字信号处理模块。

如附图2-3所示，测量探针结构包括探针基材、磁通环线圈阵列、输出信号端子；探针基材为多层结构，覆盖在通流导体被测面上，采用柔性电路板结构(Flexible PrintedCircuit，FPC)，基材材料选用聚酰亚胺，材料轻薄且具有良好的柔韧性，能够与待测的导体实现完美贴合，同时便于安装维护；磁通环线圈阵列包括多组在探针基材上沿面电流密度分布方向均匀设置的磁通环线圈，各磁通环线圈法线与探针基材相垂直；输出信号端子设置在探针基材上，各磁通环线圈与输出信号端子的正负连接线分别布置于基材相邻的两层，且正负连接线以最近距离平行布置，以减小探针杂散参数。

本实施例中，探针基材选用完整的四层FPC基材，厚度小于0.5mm，沿电流密度分布方向(y向)共布置n＝20组磁通环线圈，依次编号为1～20，每组磁通环线圈设计为单层6匝线圈，共四层串联，总匝数N为24匝，每匝线圈平均环绕面积S为0.05m*0.005m，每组磁通环线圈NS值为 6×10^-3m²。

应当理解的是，磁通环线圈阵列的线圈数量、层数、NS值、布置方式可依据被测导体表面尺寸，被测电流密度频率、幅值，以及测量空间分辨率与测量精度需求进行适应性设计和调整。

电流测量传感器用于测量通流导体总电流幅值，可以采用罗氏线圈传感器，环绕设置在导体外侧。

放大电路与测量探针的输出信号端子连接，用于将测量探针采集到的信号进行比例放大。

数字信号处理模块用于获取放大电路和电流测量传感器输出的信号，结合测量探针与电流测量传感器测量结果，可以得到导体面电流密度时空分布。

如附图4所示，将测量探针的20组磁通环线圈全部接入，磁通环线圈在变化的磁场中感应的电压信号可表示为：

其中，B_z为与磁通环线圈垂直交链的磁感应强度幅值，u_m为所述磁通环线圈在变化的磁场中感应的电压，N为所述磁通环线圈总匝数，S为每匝线圈平均环绕面积，t为时间参数。

依据法拉第电磁感应定律，交变或瞬变电磁场在导体表面感生电场E 与磁通量密度B的变化率有如下关系：

其中，E为感应电场。

且在导体材料中，感应电场与电流密度幅值满足本构方程：

J＝Eγ (3)

其中，γ为材料电导率，J为电流密度。

结合式(2)和式(3)中，得到导体中电流密度分布与磁感应强度变化率满足如下关系：

本实施例中，被测导体对象为矩形截面汇流排，导体电流可近似视为面电流(J_z＝0)，通流方向为x向，面电流密度梯度方向主要为y向，且满足

同时结合式(1)和式(4)可得到如下关系：

感应的电压信号通过放大电路进行比例放大，输出电压信号为 U_mi(t)＝K×u_mi(t)，i＝1～20；其中，K为测量放大电路的放大系数。

电流测量传感器测量电流幅值为I_m(t)。

数字信号处理模块获取输出电压信号为U_mi(t)和测量电流幅值为I_m(t)，计算以参考点y₀为基准的导体相对面y处电流密度分布：

其中，y_k-1≤y<y_k；i为第i个磁通环线圈，且i＝1～20；k为测量中接入的磁通环线圈数量；γ为材料电导率；J为导体面电流密度。

计算参考点电场分量的幅值E_x0为：

其中，y₀为被测导体y方向起始参考点坐标，y_n为被测导体y方向最大参考点坐标，E_x0为该参考点处电场分量E_x的幅值。

计算导体面电流密度分布：

J_x(y,t)＝J_x/y0(y,t)+E_x0×γ (8)

在另一种实施例中，该测量系统中测量探针也可以单独使用，数字信号处理模块未接收到电流传感器的输出信号，参考点电场分量幅值参数E_x0置零；数字信号处理模块输出以参考点y₀为基准的导体相对面电流密度 J_x/y0(y,t)，可绘制导体相对面电流密度时空分布，该模式下参考点y₀处相对面电流密度J_x/y0(y₀,t)输出为0，位置y处电流密度输出值为J_x/y0(y,t)＝ J_x(y,t)-j_x(y₀,t)。

如附图5所示，当测量探针配合电流测量传感器使用时，数字信号处理模块输出导体面电流密度J_x(y,t)，可绘制导体面电流密度的时空分布。附图5示出了在一种实施例中导体在流过瞬态电流脉冲时，典型的导体面电流密度时空分布测量结果。其中，横坐标为时间轴t，纵坐标为导体y方向空间轴。

如附图6所示，本发明提出了一种导体面电流密度分布的测量方法，该测量方法通过测量系统测量导体的面电流密度，包括以下步骤：

步骤1：获取磁通环线圈阵列测量输出电压信号U_mi(t)和电流测量传感器测量电流幅值I_m(t)；

测量探针磁通环线圈阵列测量输出电压信号为U_mi(t)(i＝1～20)，该信号通过测量放大电路进行比例放大，输出电压信号为U_mi(t)＝K×u_mi(t)，其中，K为测量放大电路的放大系数。电流测量传感器测量电流幅值为I_m(t)。

步骤2：将输出电压信号U_mi(t)与电流幅值I_m(t)输入数字信号处理模块进行数据处理，获取导体面电流密度分布。

具体方法如下：

计算以参考点y₀为基准的导体相对面电流密度分布：

其中，y_k-1≤y<y_k；i为第i个磁通环线圈，且i＝1～20。

计算参考点电场分量的幅值E_x0：

计算导体面电流密度分布：

J_x(y,t)＝J_x/y0(y,t)+E_x0×γ (11)

在测量系统中由测量探针单独进行测量时，数字信号处理模块未接收到电流传感器的输出信号，参考点电场分量幅值参数E_x0置零；数字信号处理模块输出以参考点y₀为基准的导体相对面电流密度J_x/y0(y,t)，可绘制导体相对面电流密度时空分布，该模式下参考点y₀处相对面电流密度 J_x/y0(y₀,t)输出为0，位置y处电流密度输出值为J_x/y0(y,t)＝J_x(y,t)- J_x(y₀,t)。

现有技术中的磁探针多为单个线圈的封装结构，不易贴附被测导体安装，采用相同布置形式时需要使用大量磁探针，使用成本也较高；本发明的测量探针为基于FPC基材的阵列式结构，易于依据被测导体进行适应性调整，本发明中的电流密度分布的测量探针厚度仅为0.5mm，重量不足50g，空间分辨率≤5mm，FPC制作工艺成熟，成本低廉；测量探针整体成本仅与单个封装结构的磁探针相近，极大的节约了成本。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种导体面电流密度分布的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括测量探针、电流测量传感器、放大电路和数字信号处理模块；

所述测量探针包括探针基材、磁通环线圈阵列、输出信号端子；

所述探针基材是多层柔性电路板，覆盖在通流导体被测面上；

所述磁通环线圈阵列设置在所述探针基材上，包括沿面电流密度分布方向布置的多组磁通环线圈，所述磁通环线圈的法线与所述探针基材相垂直；

所述输出信号端子设置在所述探针基材上，所述磁通环线圈与信号端子的正负连接线分别布置于所述基材相邻的两层，且所述正负连接线以最近距离平行布置；

所述电流测量传感器用于测量通流导体总电流幅值；

所述放大电路与所述输出信号端子连接，用于将所述测量探针采集到的信号进行比例放大；

所述数字信号处理模块用于获取放大电路和电流测量传感器输出的信号，结合测量探针与电流测量传感器测量结果，可以得到导体面电流密度时空分布；

所述磁通环线圈在所述通流导体变化的磁场中感应的电压信号可表示为：

其中，

为与所述磁通环线圈垂直交链的磁感应强度幅值，

为所述磁通环线圈在变化的磁场中感应的电压，

为所述磁通环线圈总匝数，

为每匝线圈平均环绕面积，

为时间参数；

所述磁通环线圈在所述通流导体变化的磁场中感应的电压信号在满足

时为：

其中，

为导体面电流密度分量，

为材料电导率，

为面电流密度分布方向；

所述通流导体以参考点

为基准的导体相对面

处电流密度分布：

其中，

；

为第

个磁通环线圈，且

；

为测量中接入的磁通环线圈数量；

为材料电导率；

为导体面电流密度；

表示输出电压信号，

表示测量放大电路的放大系数；

所述通流导体的参考点电场分量的幅值

为：

其中，

为被测导体

方向起始参考点坐标，

为被测导体

方向最大参考点坐标，

为该参考点处电场分量

的幅值，

表示测量电流幅值；

所述通流导体的面电流密度分布：

。

2.根据权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述探针基材为由聚酰亚胺制成的柔性电路板，能够贴合导体。

3.一种根据权利要求1-2中任一权利要求所述的测量系统测量导体面电流密度分布的测量方法，所述测量方法采用所述测量探针与电流测量传感器相配合的方式，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取磁通环线圈阵列测量输出电压信号

和电流测量传感器测量电流幅值

；

步骤2：将所述测量输出电压信号

与所述电流幅值

输入数字信号处理模块进行数据处理，获取导体面电流密度分布；

在步骤2中还包括以下步骤：

计算以参考点

为基准的导体相对面电流密度分布：

其中，

；

为第

个磁通环线圈，

；

为测量放大电路的放大系数，

为所述磁通环线圈总匝数，

为每匝线圈平均环绕面积，

为时间参数，

为材料电导率，

为测量中接入的磁通环线圈数量，

为导体面电流密度；

计算参考点电场分量的幅值

：

其中，

为该参考点处电场分量

的幅值；

计算导体面电流密度分布：

。

4.根据权利要求3所述测量方法，其特征在于，所述测量探针磁通环线圈阵列测量输出电压信号通过测量放大电路进行比例放大，所述输出电压信号为：

其中，

为所述测量探针磁通环线圈阵列测量电压信号。

5.根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述测量探针单独使用时，所述数字信号处理模块中参考点电场分量幅值参数

置零。

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