CN114034906B - 一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器探头模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器探头模块，属于带电粒子加速器技术领域，包括交流电流互感器探头、数据采集装置和数据处理装置，解决了ACCT测量微弱束流流强时的精度不足和探头加工困难的问题。本发明和传统ACCT相比，交流电流互感器使用双股反向的创新结构，采用垫圈密封的方式代替传统的钎焊工艺。改进后的ACCT探头加工更为简单，造价低和可拆卸的优点。数据处理算法上采用自适应滤波器，对50微安的流强也能精确的测量，同时也维持了测量高束流流强时的精度，本发明适用于测量微弱信号的系统，本发明使用的自适应噪声消除器可以在任何含有强背景噪声的动态系统中使用，该方法可以在宽量程范围内使用，即使伴随着各种干扰，本发明也可以获得精确的结果。

Description

一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器探头模块

技术领域

本发明带电粒子加速器技术领域，涉及一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器探头模块。

背景技术

带电粒子加速器中束流的精确测量是必要的。南京质子源是一台具有高强度、高亮度超导质子源的综合性实验装置。其主体为最大输出能量为1GeV的高能质子超导加速器和质子束流线，36个多功能用户实验终端和一个高能实验站。对于低能束流输运(LEBT)的脉冲束流，可以采用截流或非截流监测器进行束流测量。截取监测器通过使用足够密集的材料来停止粒子束，从而从由此产生的电离或核过程中产生可测量的信号。截获装置不一定会彻底摧毁测量到的束线，但大多数实现会从束粒子中吸收大量能量，这不适用于实时束流测量。相比之下，非拦截监测依赖于带电粒子束电磁场的宏观尺度相互作用，而不影响加速器设施的正常运行。对于南京质子源的LEBT段束测需求，我们选择了交流电流互感器(ACCT)完成对脉冲束流流强的实时测量。

ACCT是Hereward在1960年首次提出的有源变压器的发展，具有噪声低、输出直流偏置低、长期稳定性好等优点。该传感器的单绕组结构只需要传感器和电子设备之间的一对线，当使用长电缆时，具有更好的抗电磁干扰的优点。作为粒子加速器中使用及其广泛的非拦截式脉冲束流流强测量仪器ACCT(交流电流互感器)，以其使用简单、可以在加速器运行的过程中使用、精度高和响应速度快在粒子加速器中具有很大的应用市场。交流电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作，变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流罢了。电流互感器接被测电流的绕组(匝数为N1)，称为一次绕组(或原边绕组、初级绕组)；接测量仪表的绕组(匝数为N2)称为二次绕组(或副边绕组、次级绕组)。电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。电流互感器在额定电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示(Kn＝I1n/I2n)。电流互感器 (Currenttransformer简称CT)的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。对于加速器中使用的ACCT，由于其待测信号的特殊性，只能选择穿心式的电流互感器，即：束流从线圈的中间穿过，作为单匝的初级线圈；测量信号由线圈上的导线引出。考虑到加速器中的束流流强(电流)很小(一般在mA量级)，ACCT的次级绕组不能选的很大，一般小于100匝。此外，ACCT的电子学部分一般是多级的，从而实现对原始信号的最佳的低噪声放大于处理。所述二次绕组直接均匀地绕在环形上，与运放和信号处理卡串联。使用ACCT测量束流时，ACCT输出信号中不可避免地存在背景噪声，这通常是在使用长电缆进行远距离信号传输时引入的。此外，测量过程中外界环境的电磁干扰、预处理模块的误差以及ADC卡的量化精度也会引入误差。其次，次级线圈中感应的电流非常的小，一般 1毫安量级，很容易湮没在噪声里。除了采取良好的电磁屏蔽，对采集的信号使用滤波器进行噪声滤除也是非常重要的环节。

自适应滤波器是一种利用自适应算法根据环境变化更新其参数或结构的滤波器。通常，自适应滤波器只更新其参数，而不更新其结构。在设计自适应滤波器时，不需要知道输入信号的准确噪声统计特性。所设计的自适应滤波器在运行过程中自适应地估计所需的统计特性，并相应地调整参数以获得最优的滤波结果。为了提高低束流的测量精度，本发明专利提出了一种基于自适应滤波器的方法以从背景噪声中恢复信号。

目前，对于采集的信号采用模拟低通滤波器、FIR滤波器和 IIR滤波器来滤除噪声，这些滤波器由于自身的缺陷，无法完成从强噪声中恢复弱目标信号。同时，当待测束流频率、流强、占空比发生变化时，需要根据相应的幅频特性曲线设计最优的FIR或IIR滤波器以获得最优的滤波效果。这在实际调试与测量过程中是不现实的。而模拟低通滤波器的阶数往往很低(<6阶)处理精度较低，效果也不够理想。除此之外，如果滤波器不能很好得到处理测量数据里的噪声，势必会要求ACCT探头更高的灵敏度、更低的测量噪声、更好的磁屏蔽。同时，每次根据具体需求设计FIR或IIR滤波器也会对产品的普适性造成影响。这些无疑会导致成本的大幅度提高。同时，也会造成ACCT的适用量程的降低。当前完整ACCT价格较为昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器处理模块，解决了ACCT测量微弱束流流强时的精度不足的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器的探头模块，包括交流电流互感器探头、数据采集装置和数据处理装置，交流电流互感器探头与数据采集装置电连接，数据采集装置与数据处理装置电连接；

交流电流互感器探头包括次级绕组、第一法兰盘、第二法兰盘、密封圈、真空连接器和放气孔，

第一法兰盘和第二法兰盘固定连接且两者之间夹设有密封圈，第一法兰盘的端面和第二法兰盘的端面均设有圆环形的容纳槽，两容纳槽的槽口相对并构成可容纳次级绕组的圆环形的容腔，所述次级绕组设于容腔内，第一法兰盘设有与容腔连通的放气孔，第一法兰盘或第二法兰盘上设置真空连接器；

次级绕组包括环形铁心和绕组导线，绕组导线为一根金属导线，绕组导线对折后周圈缠绕在环形铁心上；

绕组导线的对折处为次级绕组的A信号输出端，绕组导线的两个末端分别为C信号输出端和G信号输出端，A信号输出端为信号端 IN，C信号输出端为信号端REF，G信号输出端为地线端；

信号端IN和信号端REF分别接入数据采集装置，在数据采集装置中经过反向放大器的处理，然后经过AD转换分别获取到信号端 IN的数字信号和信号端REF的数字信号，信号端IN的数字信号作为自适应滤波器的输入信号，信号端REF的数字信号作为噪声信号。

优选的，所述第一法兰盘和第二法兰盘的材质均为316L不锈钢制成。

优选的，所述绕组导线采用一根对折的双股导线，分别从对着点和两个末端引出测量信号，所述绕组导线为漆包线。

优选的，所述数据采集装置包括两个反向放大器和两个AD转换器，信号端IN经过一个反向放大器后输入到一个AD转换器中，信号端REF经过另一个反向放大器后输入到另一个AD转换器中。

优选的，所述数据采集装置为FPGA处理器或STM32处理器，所述数据采集装置中的AD转换器的型号为AD9226。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器处理模块，解决了ACCT测量微弱束流流强时的精度不足的技术问题，本发明和传统ACCT相比，交流电流互感器使用双股反向的创新结构，使用多级滤波方式，解决了ACCT测量微弱脉冲束流流强时精度不足的问题，对50微安的流强也能精确的测量，同时也维持了测量高束流流强时的精度，本发明适用于测量微弱信号的系统，本发明使用的自适应噪声消除器可以在任何含有强背景噪声的动态系统中使用，该方法可以在宽量程范围内使用，即使伴随着各种干扰，本发明也可以获得精确的结果。本发明实现难度较低，在连续变化的、噪声统计特性未知的系统中使用自适应滤波是非常理想的，它具有精度高，并且数据处理速度很快，很适合应用于实时问题和嵌入式系统，本发明普适性强，本发明的自适应滤波器是从时域角度来处理含有噪声的原始数据，在运算速度跟得上的条件下，可以实时处理任意频率的ACCT输出信号的滤波问题。

附图说明

图1是本发明的交流电流互感器探头的立体图；

图2是本发明的次级绕组的结构示意图；

图3是本发明对南京质子源LEBT段20mA脉冲束流的测量结果；

图4是本发明对第一组2kHz，100μA脉冲方波束流ACCT输出信号的的滤波效果示意图；

图5是本发明对第二组2kHz，40mA脉冲方波束流ACCT输出信号的的滤波效果示意图；

图6是本发明的交流电流互感器探头的结构示意图；

图7是本发明的第一法兰盘的结构示意图。

图中：真空连接器1、密封圈2、第二法兰盘3、第一法兰盘4、放气孔5、螺栓6、环形铁心7、绕组导线8、容纳槽9。

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。

如图1-图7所示的一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器的探头模块，包括交流电流互感器探头、数据采集装置和数据处理装置，交流电流互感器探头与数据采集装置电连接，数据采集装置与数据处理装置电连接；

交流电流互感器探头包括次级绕组、第一法兰盘4、第二法兰盘 3、密封圈2、真空连接器1和放气孔5，

第一法兰盘4和第二法兰盘3固定连接且两者之间夹设有密封圈 2，第一法兰盘4的面向第二法兰盘3的一端以及第二法兰盘3的面向第一法兰盘4的一端均设有圆环形的容纳槽9，两容纳槽9的槽口相对并构成可容纳次级绕组的圆环形的容腔，所述密封圈2环绕在容腔外圈，所述次级绕组设于容腔内，第一法兰盘4设有与容腔连通的放气孔5，第一法兰盘4或第二法兰盘3上设置真空连接器 1，本实施例中，第一法兰盘4设有真空连接器1，第一法兰盘4设有与其上容纳槽9连通的径向插孔，真空连接器1端部伸入径向插孔，次级绕组的A信号输出端、C信号输出端和G信号输出端均从真空连接器1伸出第一法兰盘4外；第一法兰盘4的面向第二法兰盘3的端面以及第二法兰盘3的面向第一法兰盘4的端面相贴合；第一法兰盘4与第二法兰盘3通过数个螺栓6固定连接，数个螺栓 6沿周向依次间隔均布设置，第一法兰盘4、密封圈2和第二法兰盘 3均分别设有与螺栓6数量相等的连接孔，螺栓6端部在依次穿过第一法兰盘4上的一个连接孔、密封圈2上的一个连接孔和第二法兰盘3上的一个连接孔后安装螺母，螺母被卡档在第二法兰盘3后侧；

次级绕组包括环形铁心7和绕组导线8，绕组导线8为一根金属导线，绕组导线8对折后周圈缠绕在环形铁心7上；

绕组导线8的对折处为次级绕组的A信号输出端，绕组导线8的两个末端分别为C信号输出端和G信号输出端，A信号输出端为信号端IN，C信号输出端为信号端REF，G信号输出端为地线端；

信号端IN和信号端REF分别接入数据采集装置，在数据采集装置中经过反向放大器的处理，然后经过AD转换分别获取到信号端 IN的数字信号和信号端REF的数字信号，信号端IN的数字信号作为自适应滤波器的输入信号，信号端REF的数字信号作为噪声信号。

优选的，所述第一法兰盘4和第二法兰盘3的材质均为316L不锈钢制成。

优选的，所述绕组导线8采用一根对折的双股导线，分别从对着点和两个末端引出测量信号，所述绕组导线8为漆包线。

优选的，所述数据采集装置包括两个反向放大器和两个AD转换器，信号端IN经过一个反向放大器后输入到一个AD转换器中，信号端REF经过另一个反向放大器后输入到另一个AD转换器中。

优选的，所述数据采集装置为FPGA处理器或STM32处理器，所述数据采集装置中的AD转换器的型号为AD9226。

本实施例中用于束流测量的交流电流互感器只包括次级绕组，初级绕组为穿心而过的束流。次级绕组采用一根对折的导线，导线对折点接第三根导线。接线时，A和C作为信号引出端，G作为接地端。引出后的信号使用SMA接口和数据采集装置的AD部分相连接。 A端点的信号为IN，C端点的信号为REF；

探头使用密封圈2密封。传统的探头将真空密封部分在法兰的内圈完成，使用可伐制成的圆环，将两个316L不锈钢制成的法兰和陶瓷圆环采用钎焊焊接，以实现真空密封的目的。本探头将真空密封放在法兰的外环，在外环上放置密封圈2后使用螺丝紧固，以实现真空密封。探头中线圈部分处于真空环境中，因此线圈采用漆包线，铁芯采用不锈钢制外壳以实现低放气率的目的。其次，法兰内圈开有放气槽。去除钎焊后的探头加工更加容易，成本也更低。同时，材料的成本也有所降低。

在本发明中，采用以下方法进行自适应滤波：

步骤1：数据采集装置采集ACCT交流电流互感器输出的数据 X1和X2，产生原始数据；

步骤:2：数据采集装置将原始数据发送给数据处理装置；

步骤3：在数据处理装置中建立自适应滤波器，通过自适应滤波器对原始数据进行滤波，具体步骤如下：

步骤S1：建立自适应滤波器的模型，具体算法如下组公式：

XN＝xn((i-k+1):(i))；

y(i)＝(w*XN')/m；

e(i)＝d16(i)-y16(i)；

w＝w+u*e(i)*XN；

其中，xn为单股线圈的输出信号X1，d为双股线圈的信号输出 X2，k为阶数，XN为输入自适应算法的数据数量，y为滤波器的输出，e为误差，u为步长值。XN'表示上一次迭代的计算值，XN代表当前迭代的计算值。带’的XN’表示上一次迭代的计算值，XN代表当前迭代的计算值，考虑到算法往往需要移植到微处理芯片如 FPGA中，额外增加了截断因子m以防止滤波器的溢出。本发明的算法可以方便的移植到FPGA或STM32中，完成对ACCT数据的实时处理。

信号来源为双股绕线的线圈；对原始信号采用多级滤波的处理方法。初级为四阶低通滤波器，次级为自适应滤波器；

步骤S2：在自适应滤波器的模型中，输入两路信号X1和X2。 X1和X2均来自于ACCT的线圈，采用相同的预处理方式对信号进行放大和初级滤波，以获得自适应噪声消除器的噪声输入和信号输入；

步骤S3：根据自适应算法对X1和X2进行自适应处理，从而获得当前状态下的最优滤波值。

束流流强是加速器中的一个重要的参数，在加速器运行的过程中需要对流强进行准确的测量。对于脉冲方波束流，一般采用非拦截式的电流互感器ACCT对流强进行实时测量。由于ACCT是基于电磁感应原理完成对束流流强的测量，当脉冲束流流强较低<1mA时，ACCT的感应电压会被背景噪声严重影响。其次，AD采集的过程也会存在量化误差。测量过程也存在外界电磁场的干扰导致的噪声。信号传输的过程中也会产生噪声。虽然使用FIR、低通滤波器等可以对噪声进行滤除，但是无法从背景噪声中恢复微弱信号。进一步的，需要一个方法来处理信号畸变所造成的影响。

如图3所示为对南京质子源LEBT段20mA脉冲束流的测量结果，数据来源均为南京质子源中的ACCT测量的原始数据，将数据导入 matlab中后进行仿真，本发明公开的自适应滤波器中根据采集的数据x1含背景噪声的目标信号和x2背景噪声。可见，本发明所提出的自适应滤波器可以很有效的滤除强噪声信号，从低信噪比的数据中有效的恢复原始信号。

如图4所示为对南京质子源LEBT段1mA脉冲束流的测量结果，数据来源均为南京质子源中的ACCT测量的原始数据，将数据导入 matlab中后进行仿真，图中滤波后的信号的信噪比有着显著的提高。

如图5所示为对南京质子源LEBT段20mA脉冲束流的测量结果，数据来源均为南京质子源中的ACCT测量的原始数据，将数据导入 matlab中后进行仿真，图中滤波后的信号的信噪比有所提高，可见，对于传统ACCT的适用的高流强脉冲信号，本发明专利提出的方法依然有着良好的普适性。

本发明通过双股绕线的方式，对本底噪声进行了测量，使得自适应滤波器的建模更加的精确，效果更好。可以有效的滤除噪声，从背景噪声中恢复弱待测信号。

本发明全套算法移植到FPGA主要消耗DSP，目前，市面上的低功耗的低端FPGA芯片如Xilinx的Artix7和ZYNQ7000系列均可以胜任这一算法，从而，可以大幅度降低ACCT的价格。

本发明所述的一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器处理模块，解决了ACCT测量微弱束流流强时的精度不足的技术问题，本发明和传统ACCT相比，交流电流互感器使用双股反向的创新结构，使用多级滤波方式，对50微安的流强也能精确的测量，同时也维持了测量高束流流强时的精度，本发明适用于测量微弱信号的系统，本发明使用的自适应噪声消除器可以在任何含有强背景噪声的动态系统中使用，该方法可以在宽量程范围内使用，即使伴随着各种干扰，本发明也可以获得精确的结果。本发明实现难度较低，在连续变化的、噪声统计特性未知的系统中使用自适应滤波是非常理想的，它具有精度高，并且数据处理速度很快，很适合应用于实时问题和嵌入式系统，本发明普适性强，本发明的自适应滤波器是从时域角度来处理含有噪声的原始数据，在运算速度跟得上的条件下，可以实时处理任意频率的ACCT输出信号的滤波问题。

Claims (5)

1.一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器的探头模块，其特征在于：包括交流电流互感器探头、数据采集装置和数据处理装置，交流电流互感器探头与数据采集装置电连接，数据采集装置与数据处理装置电连接；

交流电流互感器探头包括次级绕组、第一法兰盘(4)、第二法兰盘(3)、密封圈(2)、真空连接器(1)和放气孔(5)，

第一法兰盘(4)和第二法兰盘(3)固定连接且两者之间夹设有密封圈(2)，第一法兰盘(4)的一端和第二法兰盘(3)的一端均设有圆环形的容纳槽(9)，两容纳槽(9)的槽口相对并构成可容纳次级绕组的圆环形的容腔，所述次级绕组设于容腔内，第一法兰盘(4)设有与容腔连通的放气孔(5)，第一法兰盘(4)或第二法兰盘(3)上设置真空连接器(1)；

次级绕组包括环形铁心(7)和绕组导线(8)，绕组导线(8)为一根金属导线，绕组导线(8)对折后周圈缠绕在环形铁心(7)上；

绕组导线(8)的对折处为次级绕组的A信号输出端，绕组导线(8)的两个末端分别为C信号输出端和G信号输出端，A信号输出端为信号端IN，C信号输出端为信号端REF，G信号输出端为地线端；

信号端IN和信号端REF分别接入数据采集装置，在数据采集装置中经过反向放大器的处理，然后经过AD转换分别获取到信号端IN的数字信号和信号端REF的数字信号，信号端IN的数字信号作为自适应滤波器的输入信号，信号端REF的数字信号作为噪声信号；

数据处理装置中建立自适应滤波器，对原始信号采用多级滤波的处理方法；初级为四阶低通滤波器，次级为自适应滤波器。

2.权利要求1所述的一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器的探头模块，其特征在于：所述第一法兰盘(4)和第二法兰盘(3)的材质均为316L不锈钢制成。

3.权利要求1所述的一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器的探头模块，其特征在于：所述绕组导线(8)采用一根对折的双股导线，分别从对着点和两个末端引出测量信号，所述绕组导线(8)为漆包线。

4.权利要求1所述的一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器的探头模块，其特征在于：所述数据采集装置包括两个反向放大器和两个AD转换器，信号端IN经过一个反向放大器后输入到一个AD转换器中，信号端REF经过另一个反向放大器后输入到另一个AD转换器中。

5.权利要求4所述的一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器的探头模块，其特征在于：所述数据处理装置为FPGA处理器或STM32处理器，所述数据采集装置中的AD模块的型号为AD9226。

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