CN113341211A - 一种磁通门电流传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁通门电流传感器及其测量方法，所述磁通门电流传感器，包括：磁芯、激励信号发生装置和接收信号处理装置；所述磁芯为由半径不相同的第一半圆环和第二半圆环构成的类圆环结构；所述第一半圆环上缠绕有第一线圈绕组，所述第二半圆环上缠绕有第二线圈绕组；所述第一线圈绕组、所述第二线圈绕组的输入端分别与所述激励信号发生装置相连接；所述第一线圈绕组的输出端经第一调理电路与接收信号处理装置相连接；所述第二线圈绕组的输出端经第二调理电路与接收信号处理装置相连接。本发明的磁通门电流传感器，磁芯为不同半径的两个半圆环所构成的类圆环结构，可有效地拓宽磁通门电流传感器的量程，提高电流传感器的精度。
Description
技术领域
本发明属于电力测量技术领域，特别涉及一种磁通门电流传感器及其测量方法。
背景技术
近些年来，随着科技的发展，各种用电设备增多，用电量越来越大，在人们生产生活的各个领域直流电发挥了重要的作用，例如直流屏、电动汽车、太阳能等。另一方面，在光伏发电、蓄电检测、大型医疗设备、变电站避雷器检测等领域也需要对微小的直流漏电流进行检测。因此，迫切需要一种高精度的直流电流测量方法。
磁通门是一项测量微弱空间磁场的技术，磁通门传感器是一种利用高磁导率易饱和的软磁材料在交变磁场的非线性饱和激励下，来测量环境中磁场强度的传感器。磁通门电流传感器利用直流电流和其在周围产生的磁场具有线性关系的特点，通过检测直流电流周围的磁通密度，从而实现对微小直流电流的测量。磁通门电流传感器的磁芯一直工作在周期性过饱和状态中，磁场偏移得到了有效抑制，保证了磁通门电流传感器较高的测量精度，磁芯中激励电路所产生的交变磁场和和待测磁场的叠加经感应线圈输出为电信号，对该电信号经过进一步的分析计算最终得到待测微小电流。
传统的磁通门电流传感器主要由五部分构成：
(1)磁芯：一般是由磁导率高、矫顽力低、当激励磁场强度使磁芯达到饱和状态时，磁导率变化明显的软磁性材料制成。
(2)激励线圈：将激励电路产生的电信号转化为磁信号并作用于磁路中。
(3)感应线圈：将磁路中的由激励电路所产生的交变磁场和待测磁场的叠加得到的磁信号转换为电信号并输出于接收信号处理部分。
(4)激励电路部分：一般包括正弦波发生器、功放电路，最终产生使磁芯处于交变磁饱和状态的纯净的正弦波信号。
(5)接收信号处理部分和磁场反馈电路：一般包括隔离放大电路、信号采样电路、数字积分电路，接收信号处理部分接收的电信号经隔离放大后，直接采集，采样信号通过数字积分电路进行积分运算得到反馈信号，信号发生器产生正弦信号与反馈信号的合成信号，该直流信号经激励线圈后感应得到的磁通密度Hf与外部磁场的大小相同，方向相反。
目前常用的磁通门电流传感器有传统的单环型磁通门电流传感器和双环型磁通门电流传感器。
传统的单环型磁通门电流传感器的磁芯探头部分通常为标准的圆环结构，在圆环上缠绕有两组线圈，其中一组为激励线圈，另一组为感应线圈，所测电流从圆环的中间穿过，激励信号发生电路和接收信号处理电路为两组分离的电路，反馈信号经过模拟积分电路进行积分运算后直接经过反馈电阻反馈至激励线圈。其中，激励信号发生电路的高频正弦波信号通常由自激振荡电路产生，并经过模拟低通滤波电路滤除高次杂波，以保证得到纯净的正弦波信号，接收信号处理电路通常由差分放大电路、模拟带通滤波器和峰值检测电路组成，反馈电路通常由模拟积分电路和反馈电阻组成。双环型磁通门电流传感器的激励绕组为交叉绕组结构，这种交叉式绕组结构能够有效地克服变压器效应，降低激励绕组和反馈绕组中的噪声，有利于提高测量精度和灵敏度。
综上，传统的单环形磁通门电流传感器和双环形磁通门电流传感器的磁芯探头部分都为标准的圆环结构，圆环形磁通门探头中传输的空间磁场强度为直流电流产生的磁场强度，对空间磁场并没有放大测量的效果，当待测电流量极其微弱时，待测电流产生的空间中的磁场强度量也极其微弱，传统的单环形磁通门电流传感器和双环形磁通门电流传感器会具有较大的噪声或者无法测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁通门电流传感器及其测量方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的磁通门电流传感器，磁芯为不同半径的两个半圆环所构成的类圆环结构，可有效地拓宽磁通门电流传感器的量程，提高电流传感器的精度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种磁通门电流传感器，包括：磁芯、激励信号发生装置和接收信号处理装置；
所述磁芯为由半径不相同的第一半圆环和第二半圆环构成的类圆环结构；所述第一半圆环上缠绕有第一线圈绕组，所述第二半圆环上缠绕有第二线圈绕组；
所述第一线圈绕组、所述第二线圈绕组的输入端分别与所述激励信号发生装置相连接；所述第一线圈绕组的输出端经第一调理电路与接收信号处理装置相连接；所述第二线圈绕组的输出端经第二调理电路与接收信号处理装置相连接。
本发明的进一步改进在于，所述磁芯的材料为坡莫合金1J85。
本发明的进一步改进在于，所述第一半圆环和所述第二半圆环的垂直截面同为矩形或圆形。
本发明的进一步改进在于，所述激励信号发生装置用于在收到接收信号处理装置的反馈信号后，产生高频正弦波和直流合成的电流信号并输出给第一线圈绕组或第二线圈绕组；其中，所述正弦波信号的幅值能够在没有外磁场情况下令磁芯饱和；直流分量为反馈量，且与被测导线的电流所产生的磁场成正比。
本发明的进一步改进在于，所述接收信号处理装置用于接收第一线圈绕组或第二线圈绕组输出并经过隔离放大后的信号，通过数字处理芯片进行数字滤波，再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号；数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后得到传感器所测导线的电流量。
本发明的进一步改进在于，所述激励信号发生装置包括：正弦波与直流合成信号发生器和功放电路；所述正弦波与直流合成信号发生器包括数字处理芯片和高速DDS；
所述接收信号处理装置包括：数字处理芯片和信号采样电路。
本发明的进一步改进在于，第一半圆环半径大于第二半圆环；
第一调理电路包括：分压电路和电压跟随器；
第二调理电路包括：分压电路、差分放大电路和电压跟随器；
所述激励信号发生装置和所述接收信号处理装置公用一块数字处理芯片；其中，所述数字处理芯片预设有阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于所述阈值时第二绕组线圈导通工作，当数字滤波后的二次谐波峰值大于等于所述阈值时第一绕组线圈导通工作。
本发明的进一步改进在于，第一半圆环与第二半圆环的截面积之比为n，第一半圆环的磁通密度与第二半圆环的磁通密度之比为n。
本发明的进一步改进在于，所述磁芯用于工作在“零场”状态。
本发明的一种宽量程磁通门电流传感器的测量方法，包括以下步骤：
待测导线中的电流量小于预设值时，第一半圆环和第二半圆中的小半径磁环部分的线圈绕组与激励信号发生装置和接收信号处理装置导通工作，线圈绕组既作为激励线圈又作为感应线圈，大半径磁环部分的线圈绕组输入为高阻态；待测导线中的电流量大于等于预设值时，第一半圆环和第二半圆中的大半径磁环部分的线圈绕组与激励信号发生装置和接收信号处理装置导通工作，线圈绕组既作为激励线圈又作为感应线圈，小半径磁环部分的线圈绕组输入为高阻态；
有线圈绕组导通工作后，激励信号发生装置产生一个高频正弦波和直流合成的电流信号输入到处于工作状态的线圈绕组中，直流分量为反馈量与被测电流所产生的磁场成正比；其中，在不同的线圈绕组工作时，激励信号发生装置所产生的正弦波的频率相同但幅值不同，激励信号发生装置所产生的纯净的正弦波能够恰好使正处于工作状态的磁芯部分处于交变磁饱和状态；
接收信号处理装置接收被激励线圈绕组中的感应信号，感应线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波，再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，由信号发生器产生正弦信号与反馈信号的合成信号使磁芯一直工作在“零场”状态；其中，数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后得到传感器所测量导线中的电流量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明装置中，使用磁场聚集增强原理的磁芯探头，较大半径的半圆环部分可以聚集放大由微弱的电流信号产生的磁场信号，能够拓宽电流传感器的测量范围，提高电流传感器的精度；其中，第一线圈绕组和第二线圈绕组都同时连接激励信号发生装置和接收信号处理装置(具体可以是高速信号发生器和信号采样电路)，既作为激励线圈又作为感应线圈，当导线中的电流量较小时，小半径磁环部分的线圈和所连接电路工作，大半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态，当导线中的电流量较大时，大半径磁环部分的线圈和所连接电路工作，小半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态。
另外，传统的单环形磁通门电流传感器和双环形磁通门电流传感器的激励信号发生电路和接收信号处理电路为两组分离的电路，激励信号和接收信号分别进行处理，难以确定系统中各信号的比例关系。本发明中，激励信号发生装置和接收信号处理装置公用一块数字处理芯片，在公用的数字芯片中便于比较反馈信号与产生信号的大小，并对根据反馈信号对产生信号进行直流偏置，保证磁芯一直处于零磁通状态。
再者，传统的磁通门电流传感器的信号传输部分包括大量的模拟元器件如模拟带通滤波器，模拟积分电路等，整个测量系统的温度特性较差，容易受到温漂和零漂的影响。本发明中，整个传感器系统中仅稳压电路部分包含少量模拟器件，信号处理系统绝大部分为数字电路，有效地抑制了噪声，大大地减小了环境温度的影响。
本发明方法中，使用磁场聚集增强原理的磁芯探头，第一半圆环部分可以聚集放大由微弱的电流信号产生的磁场信号，从而进行进一步的测量，最终经过折算后就可以得到原大小的待测电流信号，可以测得在一般情况下非常难以测量的极其微弱的电流信号，在数字处理芯片中设置有一个阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于阈值时，表明导线中的电流量较小，小半径磁环部分的线圈(一次绕组)和所连接的高速DDS和数据采集系统会工作，反之，大半径磁环部分的线圈(二次绕组)和所连接高速DDS和数据采集系统会工作，拓宽了电流传感器的测量范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器的示意框图；
图2是本发明实施例的一种基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器的测量方法流程示意框图；
图3是本发明实施例的一种基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器的磁芯探头结构示意图；其中，图(3)中(a)为矩形截面磁场放大磁芯示意图，图(3)中(b)为圆形截面磁场放大磁芯示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一种基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器，电流传感器可以和后续的数字检测系统构成闭环系统。
本发明实施例的磁通门电流传感器包括：基于磁场聚集增强原理的磁芯、一次绕组、二次绕组、激励信号发生系统、接收信号处理系统和信号调理电路。
所述磁芯为不同半径的两个半圆环所构成的类圆环结构，在磁芯上缠绕有一次线圈和二次线圈；示例性的，所述两个半圆环为第一半圆环和第二半圆环(第一半圆环半径大于第二半圆环)，第一半圆环上缠绕有一次线圈，第二半圆环上缠绕有二次线圈；本发明实施例中，所述一次绕组和二次绕组均为细漆包线，分别缠绕在磁芯的大半径磁环部分和小半径磁环部分，且漆包线具有一定等级的绝缘性。
请参阅图3，所述第一半圆环和所述第二半圆环的垂直截面同为矩形或圆形。
本发明实施例中，所述磁场聚集增强原理的磁芯材料为高磁导率易饱和的软磁性材料(坡莫合金1J85)，为有着不同大半径和不同小半径的类圆环式结构，所测导线电流所产生的磁场在磁芯中并不是均匀分布的，整个磁芯中的磁通量相同，大半径磁环部分的磁通密度与小半径磁环部分的磁通密度呈倍数关系。
本发明实施例中，激励信号发生系统和接收信号处理系统公用一块数字处理芯片，激励信号发生系统包括两个高速信号发生器，接收信号处理系统包括两个信号采样电路。
本发明实施例中，一次绕组和二次绕组都同时连接高速信号发生器和信号采样电路，既作为激励线圈又作为感应线圈，当导线中的电流量较小时，小半径磁环部分的线圈和所连接电路工作，大半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态，当导线中的电流量较大时，大半径磁环部分的线圈和所连接电路工作，小半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态。
激励信号发生系统产生一个高频正弦波和直流合成的电流信号输入到与其相连的激励线圈中，正弦信号的幅值应该在没有外磁场情况下令磁芯饱和，直流分量为反馈量，与被测电流所产生的磁场成正比；接收信号处理系统接收当前被激励线圈中的感应信号，感应线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后，直接采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波、再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，其中数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后即可得到传感器所测量导线中的电流量。
本发明实施例中，所述磁场聚集增强原理的磁芯是一个用高磁导率易饱和的软磁性材料加工而成的，由半径不相同的第一半圆环和第二半圆环构成的类圆环结构，第一半圆环和所述第二半圆环的垂直截面同为矩形或同为圆形，其中，第一半圆环部分与第二半圆环部分的垂直截面积之比为n，所测导线电流所产生的磁场在磁芯中并不是均匀分布的，整个磁芯中的磁通量相同，第一半圆环部分的磁通密度与第二半圆环部分的磁通密度之比为n，则待测电流产生磁场的磁通密度被放大了n倍。第一半圆环的尺寸由待测额定电流量和激励电路的功耗决定，第一半圆环部分与第二半圆环部分的垂直截面积之比为n由待测电流产生磁场上限决定，即经过聚磁增强后的外部磁场不会使第二半圆环部分达到饱和状态，经仿真分析确定测量效果较准确的矩形截面磁芯结构参数如下：第一半圆环部分内径为5mm，外径为9mm，第二半圆环部分内径为6mm，外径为8mm，整体厚度为0.5mm，此时磁芯对待测电流产生的磁场的放大倍数为2倍，且第一半圆环部分与第二半圆环部分中的磁通密度均较为稳定。
请参阅图1，本发明实施例示例性的，所述激励信号发生系统包括：正弦波与直流合成信号发生器、功放电路，正弦波与直流合成信号发生器由数字处理芯片和高速DDS组成，在收到接收信号处理系统的反馈信号后，产生正弦波与直流合成信号，其输出信号经过功率放大后形成正弦波与直流合成的电流信号驱动激励线圈。
所述接收信号处理系统包括：数字处理芯片和信号采样电路，实现快速采集信号、储存信号、数字滤波及数字运算功能，感应线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后，直接采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波、再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，由信号发生器产生正弦信号与反馈信号的合成信号，从而使磁芯一直工作在“零场”状态。
所述信号采样电路具有高频采样的功能，和双通道采样的功能，且分辨率不低于12位；所述数字处理芯片接收到采样系统所采集到的数据，将感应绕组中的信号进行数字滤波处理，计算出二次电压谐波峰值，并对其进行数字积分运算，用于反馈信号。
所述信号调理电路包括分压电路、差分放大电路和电压跟随器；其中，与一次绕组相连的信号调理电路包括分压电路和电压跟随器，与二次绕组相连的信号调理电路包括分压电路、差分放大电路和电压跟随器。
单环型磁通门电流传感器系统包括大量的模拟元器件，受到温漂和零漂的影响较大，且激励信号发生电路和接收信号处理电路为两组分离的电路，激励信号和接收信号分别进行处理，难以确定系统中各信号的比例关系，存在着较大的噪声干扰。双环型磁通门电流传感器系统中，还是存在着较多的模拟器件和无源器件，对传感器的温漂无法精确地抑制；另一方面，在其双环型磁芯上交叉绕制几十匝至数百匝绕组的激励绕组，不管采用机械还是人工的方法，其生产效率都十分的低下；对极微弱电流的测量具有一定的局限性，当电流极其微弱的时候，对于接收线圈和接收信号处理系统的要求就会提高，并且存在很大的噪声干扰，无法准确的测量。本发明实施例给出的磁通门电流传感器(1)使用磁场聚集增强原理的磁芯探头，第一半圆环部分可以聚集放大由微弱的电流信号产生的磁场信号，从而进行进一步的测量，最终经过折算后就可以得到原大小的待测电流信号，可以测得在一般情况下非常难以测量的极其微弱的电流信号，在数字处理芯片中设置有一个阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于阈值时，表明导线中的电流量较小，小半径磁环部分的线圈(一次绕组)和所连接的高速DDS和数据采集系统会工作，反之，大半径磁环部分的线圈(二次绕组)和所连接高速DDS和数据采集系统会工作，拓宽了电流传感器的测量范围。(2)激励信号发生系统和接收信号处理系统公用一块数字处理芯片，在公用的数字芯片中便于比较反馈信号与产生信号的大小，并对根据反馈信号对产生信号进行直流偏置，保证磁芯一直处于零磁通状态。(3)整个传感器系统中仅稳压电路部分包含少量模拟器件，信号处理系统绝大部分为数字电路，有效地抑制了噪声，大大地减小了环境温度的影响。(4)整个传感器系统结构简单，组装方便，有利于组装和生产。
请参阅图2，本发明实施例的一种基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器的测量方法，包括以下步骤：
(1)激励信号发生系统和接收信号处理系统公用一块数字处理芯片，在数字处理芯片中设置有一个阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于阈值时，表明导线中的电流量较小，小半径磁环部分的线圈(一次绕组)和所连接的高速DDS和数据采集系统都会工作，此时一次绕组既作为激励线圈又作为感应线圈，大半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态，反之，当数字滤波后的二次谐波峰值大于阈值时，表明导线中的电流量较大，大半径磁环部分的线圈(二次绕组)和所连接高速DDS和数据采集系统都会工作，此时二次绕组即作为激励线圈又作为感应线圈，小半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态。
(2)激励信号发生系统产生一个高频正弦波和直流合成的电流信号输入到此时处于工作状态激励线圈中，直流分量为反馈量，与被测电流所产生的磁场成正比，在不同的绕组工作的时候，激励信号发生系统所产生的高频正弦波的频率相同，幅值不同，一次绕组和所连接的高速DDS和数据采集系统工作时，高频正弦波的幅值较大，二次绕组和所连接的高速DDS和数据采集系统工作时，高频正弦波的幅值较小，激励信号发生系统所产生的纯净的高频正弦波应刚好使正处于工作状态的磁芯部分处于交变磁饱和状态。
(3)接收信号处理系统接收当前被激励线圈中的感应信号，感应线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后，直接采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波、再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，由信号发生器产生正弦信号与反馈信号的合成信号，从而使磁芯一直工作在“零场”状态，其中数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后即可得到传感器所测量导线中的电流量。
传统的单环型磁通门电流传感器和双环型磁通门电流传感器的磁芯探头部分通常都为标准的圆环结构，圆环形磁通门探头中传输的空间磁场强度为直流电流产生的磁场强度，对空间磁场并没有放大测量的效果，当待测电流量极其微弱时，空间中的磁场强度量也极其微弱，磁通门电流传感器会具有较大的噪声或者无法测量。另一方面，传统的单环型磁通门电流传感器和双环型磁通门电流传感器的激励信号发生电路和接收信号处理电路为两组分离的电路，激励信号和接收信号分别进行处理，难以确定系统中各信号的比例关系，存在着较大的噪声干扰，反馈信号经过模拟积分电路进行积分运算后直接经过反馈电阻反馈至激励线圈，整个电流传感器系统包括大量的模拟元器件，容易受到温漂和零漂的影响。而使用磁场聚集增强原理的磁芯探头，小半径磁环部分可以聚集放大微弱的磁场信号，从而进行进一步的测量，最终经过折算后就可以得到原大小的待测电流信号，可以测得在一般情况下非常难以测量的极其微弱的空间磁场信号，在数字处理芯片中设置有一个阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于阈值时，表明导线中的电流量较小，小半径磁环部分的线圈(一次绕组)和所连接的高速DDS和数据采集系统会工作，反之，大半径磁环部分的线圈(二次绕组)和所连接高速DDS和数据采集系统会工作，拓宽了磁通门电流传感器的测量范围。另一方面，激励信号发生系统和接收信号处理系统公用一块数字处理芯片，系统中的电路部分绝大部分为数字电路，有效地抑制了噪声，大大地减小了环境温度的影响。整个传感器系统结构简单，组装方便，有利于组装和生产，且有效的提高了传感器的测量范围与精度，实现了对极其微弱电流量的准确测量。
本发明实施例的传感器包括磁场聚集增强原理的磁芯、一次绕组、二次绕组、激励信号发生系统、接收信号处理系统和信号调理电路；在磁芯上缠绕有一次线圈和二次线圈，所述磁场聚集增强原理的磁芯材料为高磁导率易饱和的软磁性材料，为有着不同大半径和不同小半径的类圆环式结构；激励信号发生系统和接收信号处理系统公用一块数字处理芯片，每个激励信号发生系统包括两个高速信号发生器，每个接收信号处理系统包括两个信号采样电路，一次绕组和二次绕组都同时连接高速信号发生器和信号采样电路，既作为激励线圈又作为感应线圈；激励信号发生系统包括正弦波与直流合成信号发生器、功放电路，正弦波与直流合成信号发生器由数字处理芯片和高速DDS组成，激励信号发生系统产生一个高频正弦波和直流合成的电流信号输入到与其相连的激励线圈中，正弦信号的幅值应该在没有外磁场情况下令磁芯饱和，直流分量为反馈量，与被测电流所产生的磁场成正比；接收信号处理系统包括数字处理芯片和信号采样电路，实现快速采集信号、储存信号、数字滤波及数字运算功能，其中，信号采样电路具有高频采样的功能，和双通道采样的功能，且分辨率不低于12位；信号调理电路包括分压电路、差分放大电路和电压跟随器；其中，与一次绕组相连的信号调理电路包括分压电路和电压跟随器，与二次绕组相连的信号调理电路包括分压电路、差分放大电路和电压跟随器。接收信号处理系统接收当前被激励线圈中的感应信号，感应线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后，直接采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波、再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后即可得到传感器所测量导线中的电流量。基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器装置结构图如图(1)所示。激励信号发生系统和接收信号处理系统公用一块数字处理芯片，在数字处理芯片中设置有一个阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于阈值时，表明导线中的电流量较小，小半径磁环部分的线圈(一次绕组)和所连接的高速DDS和数据采集系统都会工作，此时一次绕组即作为激励线圈又作为感应线圈，大半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态，反之，当数字滤波后的二次谐波峰值大于阈值时，表明导线中的电流量较大，大半径磁环部分的线圈(二次绕组)和所连接高速DDS和数据采集系统都会工作，此时二次绕组即作为激励线圈又作为感应线圈，小半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态。激励信号发生系统产生一个高频正弦波和直流合成的电流信号输入到此时处于工作状态激励线圈中，直流分量为反馈量，与被测电流所产生的磁场成正比，在不同的绕组工作的时候，激励信号发生系统所产生的高频正弦波的频率相同，幅值不同，一次绕组和所连接的高速DDS和数据采集系统工作时，高频正弦波的幅值较大，二次绕组和所连接的高速DDS和数据采集系统工作时，高频正弦波的幅值较小，激励信号发生系统所产生的纯净的高频正弦波应刚好使正处于工作状态的磁芯部分处于交变磁饱和状态。接收信号处理系统接收当前被激励线圈中的感应信号，感应线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后，直接采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波、再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，由信号发生器产生正弦信号与反馈信号的合成信号，从而使磁芯一直工作在“零场”状态，其中数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后即可得到传感器所测量导线中的电流量。基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器工作流程图如图(2)所示。磁场聚集增强原理的磁芯是一个用高磁导率易饱和的软磁性材料加工而成的，由不同大半径和不同小半径的半圆环构成的类圆环式整体结构，其中，大半径磁环部分与小半径磁环部分的截面积之比为n，所测导线电流所产生的磁场在磁芯中并不是均匀分布的，整个磁芯中的磁通量相同，大半径磁环部分的磁通密度与小半径磁环部分的磁通密度之比为n。则磁场聚集增强原理的磁芯探头，小半径磁环部分可以聚集放大微弱的磁场信号，从而进行进一步的测量，最终经过折算后就可以得到原大小的待测电流信号，可以测得在一般情况下非常难以测量的极其微弱的空间磁场信号，在数字处理芯片中设置有一个阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于阈值时，表明导线中的电流量较小，小半径磁环部分的线圈(一次绕组)和所连接的高速DDS和数据采集系统会工作，反之，大半径磁环部分的线圈(二次绕组)和所连接高速DDS和数据采集系统会工作。基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器磁芯探头结构图如图(3)所示。
基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器的磁芯是用高磁导率易饱和的软磁性材料加工而成的，假设其磁导率为μ，小半径磁环部分的截面积为S，大半径磁环部分的截面积为nS，当大半径磁环部分的线圈和所连接电路工作时，激励信号通过激励线圈产生的磁场强度为H1，当小半径磁环部分的线圈和所连接电路工作时，激励信号通过激励线圈产生的磁场强度为H2，导线电流在大半径磁环部分的磁场强度为H0，导线电流在大半径磁环部分的磁场强度为nH0，大半径磁环部分上的线圈为一次绕组，匝数为N1，小半径磁环部分上的线圈为二次绕组，匝数为N2，当导线中的电流量较大时，大半径磁环部分的线圈和所连接电路工作，小半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态，如果激励信号的频率为ω1，激励磁场强度幅值为Hm1，则通过激励线圈产生的磁场H1为
H1＝Hm1sinω1t (1)
当激励电流产生的磁场H1方向与外界磁场H0方向一致，则在磁芯内部磁场强度H可以表示为
H＝H0+Hm1sinω1t (2)
大半径磁环部分的磁通密度B为
B＝μ(H0+Hm1sinω1t) (3)
此时一次绕组中感应电压二次谐波的值为E1(t)
E1(t)＝2μ1ω1N1nSH0sin(2ω1t) (4)
则此时由电流产生的磁场在磁芯中大半径磁环部分的磁通密度为
当导线中的电流量较大时，小半径磁环部分的线圈和所连接电路工作，大半径磁环部分所连接线圈输入为高阻态，如果激励信号的频率为ω2，激励磁场强度幅值为Hm2，则通过激励线圈产生的磁场H2为
H2＝Hm2sinω2t (6)
此时外界磁场大小被放大为nH0，当激励电流产生的磁场H2方向与外界磁场nH0方向一致，则在磁芯内部磁场强度H可以表示为
H＝nH0+Hm2sinω2t (7)
大半径磁环部分的磁通密度B为
B＝μ(nH0+Hm2sinω2t) (8)
此时一次绕组中感应电压二次谐波的值为E2(t)
E2(t)＝2μ1ω1N1n2SH0sin(2ω1t) (9)
则此时由电流产生的磁场在磁芯中小半径磁环部分的磁通密度为
通过感应电压二次谐波值得到导线电流所产生的磁通密度B0，从而测量导线电流。
本发明中，信号调理电路包括分压电路、差分放大电路和电压跟随器；其中，与一次绕组相连的信号调理电路包括分压电路和电压跟随器，与二次绕组相连的信号调理电路包括分压电路、差分放大电路和电压跟随器。当二次绕组工作时，得到的感应电压信号量较小，所以需要差分放大电路进行信号放大，电压跟随器用于降低输出阻抗。激励信号发生系统由正弦波与直流合成信号发生器和功放电路组成，正弦波与直流合成信号发生器由数字处理芯片和高速DDS组成，其中，数字处理芯片可以选用FPGA(现场可编程门阵列)芯片EP4CE10F17C8N，内部逻辑资源丰富且具有超高性价比。DDS(直接数字式频率合成器)可以使用高速DA芯片AD9708来搭建，AD9708提供出色的交流和直流性能和低功耗特性，同时支持最高125MSPS的更新速率，非常适用于便携式和低功耗应用。接收信号处理系统由数字处理芯片和信号采样电路组成，实现快速采集信号、储存信号、数字滤波及数字运算功能，激励信号发生系统和接收信号处理系统公用一块数字处理芯片，信号采样电路具有高频采样的功能，和双通道采样的功能，且分辨率不低于12位，信号采样电路可以采用高速AD芯片AD9226搭建，AD9226采用单电源供电，内置一个片内采样保持放大器和基准电压源，它采用多级差分流水线架构，在整个温度范围内保证无失码。
综上，本发明实施例提供了一种基于磁场聚集增强原理的宽量程磁通门电流传感器，该装置包括：磁芯、一次绕组、二次绕组、激励信号发生系统、接收信号处理系统和信号调理电路；磁芯为由不同大半径和不同小半径的半圆环构成的类圆环式整体结构，被测电流量较小时，一次绕组部分工作，被测电流量较大时，二次绕组部分工作。其中，信号发生系统产生一个正弦波和直流合成的电流信号输入到激励线圈中；信号处理系统接收当前线圈中的信号，线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后，直接采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波、再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，其中数字滤波得到的二次谐波经比例运算后即可得到传感器所测电流量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁通门电流传感器，其特征在于，包括：磁芯、激励信号发生装置和接收信号处理装置；
所述磁芯为由半径不相同的第一半圆环和第二半圆环构成的类圆环结构；所述第一半圆环上缠绕有第一线圈绕组，所述第二半圆环上缠绕有第二线圈绕组；
所述第一线圈绕组、所述第二线圈绕组的输入端分别与所述激励信号发生装置相连接；所述第一线圈绕组的输出端经第一调理电路与接收信号处理装置相连接；所述第二线圈绕组的输出端经第二调理电路与接收信号处理装置相连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，所述磁芯的材料为坡莫合金1J85。
3.根据权利要求1所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，所述第一半圆环和所述第二半圆环的垂直截面同为矩形或圆形。
4.根据权利要求1所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，所述激励信号发生装置用于在收到接收信号处理装置的反馈信号后，产生高频正弦波和直流合成的电流信号并输出给第一线圈绕组或第二线圈绕组；其中，所述正弦波信号的幅值能够在没有外磁场情况下令磁芯饱和；直流分量为反馈量，且与被测导线的电流所产生的磁场成正比。
5.根据权利要求4所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，所述接收信号处理装置用于接收第一线圈绕组或第二线圈绕组输出并经过隔离放大后的信号，通过数字处理芯片进行数字滤波，再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号；数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后得到传感器所测导线的电流量。
6.根据权利要求1所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，所述激励信号发生装置包括：正弦波与直流合成信号发生器和功放电路；所述正弦波与直流合成信号发生器包括数字处理芯片和高速DDS；
所述接收信号处理装置包括：数字处理芯片和信号采样电路。
7.根据权利要求6所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，第一半圆环半径大于第二半圆环；
第一调理电路包括：分压电路和电压跟随器；
第二调理电路包括：分压电路、差分放大电路和电压跟随器；
所述激励信号发生装置和所述接收信号处理装置公用一块数字处理芯片；其中，所述数字处理芯片预设有阈值，当数字滤波后的二次谐波峰值小于所述阈值时第二绕组线圈导通工作，当数字滤波后的二次谐波峰值大于等于所述阈值时第一绕组线圈导通工作。
8.根据权利要求1所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，第一半圆环与第二半圆环的截面积之比为n，第一半圆环的磁通密度与第二半圆环的磁通密度之比为n。
9.根据权利要求1所述的一种磁通门电流传感器，其特征在于，所述磁芯用于工作在“零场”状态。
10.一种权利要求1所述的磁通门电流传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
待测导线中的电流量小于预设值时，第一半圆环和第二半圆中的小半径磁环部分的线圈绕组与激励信号发生装置和接收信号处理装置导通工作，线圈绕组既作为激励线圈又作为感应线圈，大半径磁环部分的线圈绕组输入为高阻态；待测导线中的电流量大于等于预设值时，第一半圆环和第二半圆中的大半径磁环部分的线圈绕组与激励信号发生装置和接收信号处理装置导通工作，线圈绕组既作为激励线圈又作为感应线圈，小半径磁环部分的线圈绕组输入为高阻态；
有线圈绕组导通工作后，激励信号发生装置产生一个高频正弦波和直流合成的电流信号输入到处于工作状态的线圈绕组中，直流分量为反馈量与被测电流所产生的磁场成正比；其中，在不同的线圈绕组工作时，激励信号发生装置所产生的正弦波的频率相同但幅值不同，激励信号发生装置所产生的纯净的正弦波能够恰好使正处于工作状态的磁芯部分处于交变磁饱和状态；
接收信号处理装置接收被激励线圈绕组中的感应信号，感应线圈输出信号经分压电阻再经信号调理电路经隔离放大后采集，采样信号通过数字处理芯片进行数字滤波，再经数字积分电路积分运算后作为反馈信号，由信号发生器产生正弦信号与反馈信号的合成信号使磁芯一直工作在“零场”状态；其中，数字滤波得到的二次谐波分量经比例运算后得到传感器所测量导线中的电流量。
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