CN114675064A - 一种高精度双量程磁通门电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度双量程磁通门电流传感器，包括高精度小量程专用磁通门检测探头、高精度大量程专用磁通门检测探头和低噪声信号处理电路。本发明的磁通门检测探头是由直径大小不同的双环形线圈组成的双量程检测探头，小量程探头可以用来检测微安级别的微弱电流，大量程探头可以进行大电流测量；低噪声信号处理电路采用的是二次谐波法提取被测信号，借助滑动开关或电磁继电器可以进行量程的选择；本发明的电流传感器是双量程电流检测，在量程范围大的同时可以满足高分辨率电流检测，并且经过电路滤波、反馈补偿等处理，可达到很高的线性度及准确度，最后通过串口或无线传输将数据传给上位机进行实时显示。

Description

一种高精度双量程磁通门电流传感器

技术领域

本发明涉及磁通门技术领域和电流传感器领域，具体为一种高精度双量程磁通门电流传感器。

背景技术

磁通门传感器是一种根据电磁感应现象加以改造的变压器式器件，只是它的变压器效应是用于对外界被测磁场进行调制，它的基本原理可以由法拉第电磁感应定律进行解释，给检测探头的激励线圈加交变电流来驱动高磁导率磁芯使其深度磁饱和，加入被测磁场后，磁通量被调制，磁芯出现提前或滞后磁饱和的现象，利用饱和磁芯引起的非线性关系来测量磁场。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并在探头的感应线圈中产生相应的感应电动势。因为这种特性，磁通门技术有着强大的优越性，可以检测到10^-11T的微弱磁场，因此利用磁通门技术制作的电流传感器也有着极高的分辨率和灵敏度。

现有的基于磁通门传感器的检测探头分为单棒型、双棒型和环形等。单棒型磁通门探头的感应线圈输出的磁通门信号非常微弱且奇次谐波的噪声信号会很大；双棒型磁通门探头因为两棒的反向激励使得磁芯产生的磁场方向相反，可以极大地抵消基波和奇次谐波，有效降低这些噪声的干扰；但是无论是单棒型还是双棒型磁芯都是开磁路的，相比而言环形磁通门探头的磁芯是闭磁路的，磁力线几乎都在磁芯内部聚合，漏磁通极低，退磁场系数几乎为零，另外，环形线圈具有很好的对称性与结构平衡性，并且磁芯所受到的应力被均匀的分配，所以环形磁通门探头的噪声更小，检测的灵敏度更高；而本发明采用双环形结构的磁通门检测探头，在拥有环形磁芯的极大优势之下，双环形磁芯绕制的激励线圈方向相反，这使得输出信号的基波和奇次谐波在很大程度上相互抵消，双环形结构强大的优越性得以彰显。

磁通门技术的分辨率理论上可以达到10^-11T，基于提高磁通门传感器的分辨率的考虑，传感器检测线圈应该尽量贴近被测导线，希望环形检测线圈的内径尽量小，以减少磁感应强度的衰减。然而，在检测大电流时，由于考虑到提高工作量程的需要，通常环形检测线圈与被测导线之间会设置一定的距离，使得磁感应强度衰减较多，避免流经漆包线的电流过大，但这会导致小信号的分辨率降低。为了解决所述的问题，本发明技术提出了一种分量程电流检测的方案，采用高精度小量程磁通门检测探头和大量程磁通门检测探头两类探头分别进行不同量程的电流检测，并且为了不同信号处理的要求，设计了双量程低噪声信号处理电路，使用电磁继电器进行量程的选择，从而实现高精度、高分辨率、宽量程的电流检测目的和小型化、便携化的优点。

目前也存在一些磁通门电流传感器的案例，例如专利号为CN114167326A，名称为一种具有闭环控制的磁通门电流传感器，该发明专利设计了一款单磁芯结构的闭环磁通门电流传感器，该发明使用的单磁芯结构无法避免奇次谐波对信号的干扰，并且其单量程的设计难以同时实现高分辨率和大量程的电流检测。专利号为CN102401853A，名称为双轴磁通门电流传感器，该发明专利设计的双轴磁通门电流传感器采用的是超微晶磁性材料制作的磁环，其外侧又利用铁氧体制作了互感磁环包裹住内部的双磁环，该发明可以消除现有的磁通门电流传感器测量误差，但制作复杂、量程单一、且分辨率、线性度有限。专利号为CN105572456A的发明专利设计的是交直流磁通门电流传感器，该专利使用了聚磁环和互感绕组装置，提高了抗干扰能力和电流测量带宽，但其分辨率低，无法进行微弱电流检测，线性度也不高。专利号为CN111323632A的发明专利设计的是交直流零磁通磁通门电流传感器及其程控配置及校准方法，该发明采用的是DSP，并增加了可编程补偿装置，但其只能用于检测较强的电流，小电流的检测能力不足，检测分辨率不高。结合上述专利可以知道现有的设计都停留在设计单一量程，努力在提高检测精度、降低多种因素的检测误差，在高分辨率和宽量程上无法同时满足。

因此，提出了一种高精度双量程磁通门电流传感器，该磁通门电流传感器具有双量程测试功能，既可以实现高分辨率的微弱电流测量，同时满足大工作量程的测量，另外，在信号处理电路设计时，一方面充分考虑了不同量程的信号检测特征和处理需求，开发了不同的信号处理模块，另一方面，考虑到制作、体积和成本等实际应用，将部分信号处理电路模块共用，实现两个量程信号处理电路的共享和功能切换，减小了传感器尺寸，也降低了成本。本发明技术所涉及的磁通门电流传感器不仅实现了电流传感器高分辨率、高精度、高线性度的测量，而且更加小型化、便携化，应用更加灵活。

发明内容

本发明的目的在于设计一种高精度双量程磁通门电流传感器；本发明采用的双环形结构检测探头可以降低噪声、提高灵敏度，设计使用双量程检测探头既可以检测大电流，也可以检测微安级别的微弱电流；利用功率放大器设计闭环反馈回路，使得整个系统的电流处于动态平衡中。

本发明包括高精度小量程专用磁通门检测探头、高精度大量程专用磁通门检测探头、低噪声信号处理电路；所述的高精度小量程专用磁通门检测探头为内径为3mm～6mm的小孔径双环形缠绕线圈，小孔径双环形缠绕线圈包括两个环形骨架、软磁磁芯和绕制的三组多匝线圈；所述的高精度大量程专用磁通门检测探头为内径为20mm～40mm的大孔径双环形缠绕线圈，大孔径双环形缠绕线圈包括两个环形骨架、软磁磁芯和绕制的三组多匝线圈；

所述小孔径双环形缠绕线圈包括两个同轴设置的相同环形线圈，两个环形线圈的直径略大于与被测电流导线直径(与被测电流导线尽可能贴近)，线圈感应到的信号电流产生的磁感应强度相对更强，因此用于进行微弱电流的检测；大孔径双环形缠绕线圈包括两个同轴设置相同环形线圈，两个环形线圈的直径较小孔径双环形缠绕线圈大，线圈感应到的信号电流产生的磁感应强度相对较弱，用于进行大电流的测量。

所述的低噪声信号处理电路包括高精度小量程专用信号处理模块、高精度大量程专用信号处理模块、双量程共用信号处理模块；

所述的高精度小量程专用信号处理模块和高精度大量程专用信号处理模块均包括LC谐振电路、仪表放大电路和反馈功放电路；双量程共用信号处理模块包括带通滤波电路、相敏检波电路、积分电路、模数转换电路和微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)；后端的共用信号处理模块通过开关选择连通前端的小量程专用信号处理模块或者大量程专用信号处理模块。

所述高精度小量程专用磁通门检测探头的两个环形骨架选用光敏树脂材料或者陶瓷纤维材料通过3D打印方法制成；两个环形骨架结构的环状结构外表面中间有凹槽，凹槽上是由坡莫合金薄带或非晶合金薄带缠绕1～3匝而成的软磁磁芯结构。

所述高精度大量程专用磁通门检测探头的两个环形骨架选用光敏树脂材料或者陶瓷纤维材料通过3D打印方法制成；两个环形骨架结构的环状结构外表面中间有凹槽，凹槽上是由坡莫合金薄带或非晶合金薄带缠绕5～8匝而成的软磁磁芯结构。

所述高精度小量程专用磁通门检测探头的多匝线圈有三组，包括激励线圈、感应线圈和反馈线圈；其中激励线圈为漆包线先缠绕在两个环形骨架的其中一个环形骨架上面，缠绕200匝～300匝，然后反向缠绕在两个环形骨架的另外一个环形骨架上面，缠绕200匝～300匝；感应线圈为漆包线同时穿过两个环形骨架缠绕200匝～300匝线圈；反馈线圈为漆包线同时穿过两个环形骨架缠绕200匝～300匝线圈。

所述高精度大量程专用磁通门检测探头的多匝线圈有三组，包括激励线圈、感应线圈和反馈线圈；其中激励线圈为漆包线先缠绕在两个环形骨架的其中一个环形骨架上面，缠绕300匝～500匝，然后反向缠绕在两个环形骨架的另外一个环形骨架上面，缠绕300匝～500匝；感应线圈为漆包线同时穿过两个环形骨架缠绕300匝～500匝线圈；反馈线圈为漆包线同时穿过两个环形骨架缠绕300匝～500匝线圈。

所述LC谐振电路包括电容和感应线圈的等效电感，根据感应线圈的等效电感值选用合适的电容组成谐振电路。所述仪表放大电路包括仪表放大器和可调电位器。所述的带通滤波电路选用巴特沃斯带通滤波器，巴特沃斯带通滤波器包括运算放大器和电容电阻，用来进行选频、滤波得到想要的二次谐波正弦信号。

所述相敏检波电路包括移相电路和检波电路；移相电路可以使得输入的二倍频参考方波信号移相，检波电路是利用移相后得到的二倍频方波作为开关，控制二次谐波正弦信号的导通与关断，从而实现检波功能。

所述积分电路包括运算放大器和电容电阻；所述反馈功放电路包括功率放大器和外围电路，给反馈线圈提供反馈电流信号。所述低噪声信号处理电路的模数转换电路包括差分放大器和模数转换器ADC。

所述微控制单元MCU用于信号发生、数据采集、数据处理，最后将数据通过蓝牙无线传输或者串口通信的方式传给上位机。

所述开关采用电磁继电器来实现量程的自动切换；通过MCU来控制继电器的工作状态进行切换，可以选择将前端的小量程专用信号处理模块与共用信号处理模块连通，或者选择将前端的大量程专用信号处理模块与共用信号处理模块连通。

本发明的有益效果是：

(1)本发明设计的大小两种磁通门检测探头可将电流测量分为两个量程，既可以用大量程探头检测大电流，也可用小量程探头测量微安级别的微弱电流。

(2)低噪声信号处理电路使用了仪表放大器，将感应线圈的两个输出端进行差分连接，进一步可以抑制共模噪声信号并将差模微弱信号进行放大。

(3)本发明使用了功率放大器令电压控制电流，并驱动反馈信号加载到反馈线圈，利用反馈线圈产生的磁场抵消被测线圈产生的磁场，使得磁环整体处于零磁通状态。

(4)本发明的磁通门电流传感器分辨率可达到1μA级别，量程可达到±1000A，线性度和准确度均为0.01％，可谓是高分辨率、高线性度和高准确度的电流传感器。

附图说明

图1为本发明的电流传感器系统框图；

图2为本发明的电流传感器检测探头模拟图；

图3为被测导线通电后产生的磁感应强度与距离关系的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种高精度双量程磁通门电流传感器，包括高精度小量程专用磁通门检测探头、高精度大量程专用磁通门检测探头、低噪声信号处理电路；其中高精度小量程专用磁通门检测探头是由两个环形骨架、软磁磁芯和绕制的三组多匝线圈组成的内径为3mm-6mm的小孔径双环形缠绕线圈1；高精度大量程专用磁通门检测探头是由两个环形骨架、软磁磁芯和绕制的三组多匝线圈组成的内径为20mm-40mm的大孔径双环形缠绕线圈2；其中低噪声信号处理电路包括高精度小量程专用信号处理模块、高精度大量程专用信号处理模块、双量程共用信号处理模块；其中高精度小量程专用信号处理模块和高精度大量程专用信号处理模块均包括LC谐振电路3、仪表放大电路4和反馈功放电路8；双量程共用信号处理模块包括带通滤波电路5、相敏检波电路6、积分电路7、模数转换电路9和微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)10；前端的两种专用信号处理模块与后端的共用信号处理模块通过双量程选择开关11选择：选择小量程专用信号处理模块与共用信号处理模块连通，或者大量程专用信号处理模块与共用信号处理模块连通。

采用高精度小量程专用磁通门检测探头和高精度大量程专用磁通门检测探头两个检测探头进行电流的分量程检测；STM32产生的指定频率的PWM方波经过驱动芯片TC4421后作为激励信号，给两个检测探头的激励线圈通入激励信号促使磁芯磁饱和；进行电流检测时，被测导线产生的磁场会促使磁芯发生非线性变化，此时感应线圈内产生谐波信号，其中偶次谐波信号的大小与被测磁场的大小成正比；又因为偶次谐波中的二次谐波最大，采用提取二次谐波的方法测量被测磁场的大小，进而得到被测导线的电流大小；感应线圈两端差分输出经过LC谐振进行选频，经过仪表放大器进行差模小信号放大后传给带通滤波电路进行最终的二次谐波信号提取；提取到的信号为激励信号二倍频的正弦波，经过相敏检波电路的移相和检波处理，得到两个半波信号，利用运算放大器组成减法电路将两个半波合成一个全波信号，该信号是单相的故可以判断电流的正负，之后经过积分电路将信号滤波成直流信号，直流信号通过功率放大器OPA548令电压控制电流进行反馈驱动，使得整个系统处于闭环的动态平衡中，进而使得磁芯整体处于零磁通状态。

如图2所示，本发明的探头线圈的具体缠绕方式为：在环形骨架上将坡莫合金薄片缠绕多圈作为探头的磁芯，激励线圈是将漆包线单独在一个环形磁芯上缠绕几百匝后反向在另一个环形磁芯上缠绕几百匝，感应线圈和反馈线圈是漆包线同时穿过两个环形磁芯进行几百匝的缠绕。

如图3所示，检测线圈距离中心被测导线越远，感受到的磁感应强度也会越来越小，由图中m1和m4两点对比可知，距离远30mm，磁感应强度衰减近20倍，对于微弱电流的检测来说，20倍足以大大提高系统的分辨率。因此，本发明为了追求高分辨率，设计了大小两个检测探头进行分量程、不同分辨率的检测，以此来提高整个电流传感器检测系统的分辨率。

感应线圈的感抗很大，可近似作为电感和电阻串联在一起，两个输出端通过并联电容组成LC谐振电路进行激励信号二倍频的选频，通过下面的计算公式可求出所需的谐振电容C的大小：

其中C为谐振电容，ω为角频率，f为电路谐振频率，L为电路等效电感；

感应线圈的两端输出并联谐振电容后差分输入到仪表放大器，而不是将线圈一端输入到运放另一端接地，这样可以更好地提取有用信号，并且通过调节电位器的旋钮可以改变仪表放大器的增益，增益可调范围为1～1000倍，可以通过下式计算得到：

其中G为仪表放大器增益倍数，R_G为电位器接入的电阻阻值；

本发明的带通滤波器采用的是四阶巴特沃斯带通滤波器，相较于椭圆滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器，巴特沃斯滤波器在通带和阻带上特别平坦，不会有其他滤波器在通带上的纹波抖动，但是巴特沃斯滤波器的一大缺点就是衰减速度缓慢，因此为了滤波效果更好，就增加滤波器的阶数使得衰减速度更快，因此本发明采用两级运放连接组成的四阶巴特沃斯带通滤波器；而带通滤波器的中心频率、增益和带宽需要在公式计算后确定电路相应的电容和电阻值，然后结合Mutisim仿真进行设置，相应的计算公式如下：

中心频率：

增益：

带宽：

其中C为电容，R₁、R₂、R₃为电阻；

本发明的电流传感器可通过有线和无线两种方式将传感器与上位机进行连接，在无线通信上本发明采用了BLE低功耗高速透传蓝牙模块，具有功耗低、传输速率高、传输距离远等特点；无线传输便于使用，传感器可通过蓝牙连接，在手机或电脑上实时查看检测到的电流值。

本发明增加设计了低纹波稳压电源电路，可直接将220V交流电转换成±12V的直流电，另外，电源电路增加了过载保护电路、光耦隔离器、保险丝等防止电源短路、反接和过载，整个传感器可以直接外接220V市电，方便使用。

本发明的具体的工作方式是：电源线插入220V的插座进行供电，STM32通电后产生PWM方波驱动激励线圈，感应线圈将感应到的信号差分输出，经过后续一系列电路的处理，最后将信号传输到反馈线圈中，前后形成完整的闭环系统，使得整个系统处于动态平衡中；在反馈回路中提取直流电压信号，利用ADC进行模数转换，再传给单片机进行数据的滤波和算法平均处理，最后将处理好的数据通过串口或蓝牙无线传输的方式传给上位机。

本发明使用的各式芯片并不局限于上述实施例中所讲述到的具体芯片型号，能满足相关要求的同类芯片均可以使用；无线传输方式也不仅仅局限于使用蓝牙传输，针对电流传感器应用的不同场景，还可以使用WiFi传输或者ZigBee传输等方式。

上面结合附图对本发明的具体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。

Claims (8)

1.一种高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：包括高精度小量程专用磁通门检测探头、高精度大量程专用磁通门检测探头、低噪声信号处理电路；

所述的高精度小量程专用磁通门检测探头为小孔径双环形缠绕线圈，高精度大量程专用磁通门检测探头为大孔径双环形缠绕线圈；小孔径双环形缠绕线圈和大孔径双环形缠绕线圈均包括两个环形骨架、软磁磁芯和绕制的三组多匝线圈；软磁磁芯和三组多匝线圈设置在环形骨架上，三组多匝线圈分别为激励线圈、感应线圈和反馈线圈；小孔径双环形缠绕线圈的内孔径略大于被测电流导线直径，使得检测线圈尽可能地靠近被测电流导线，用于进行微弱电流的检测；大孔径双环形缠绕线圈的内孔径较大，用于进行大电流的测量；

所述的低噪声信号处理电路包括高精度小量程专用信号处理模块、高精度大量程专用信号处理模块、双量程共用信号处理模块；

所述的高精度小量程专用信号处理模块和高精度大量程专用信号处理模块均包括LC谐振电路、仪表放大电路和反馈功放电路；双量程共用信号处理模块包括带通滤波电路、相敏检波电路、积分电路、模数转换电路和微控制单元；后端的共用信号处理模块通过开关选择连通前端的小量程专用信号处理模块或者大量程专用信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：所述的小孔径双环形缠绕线圈内径为3mm～6mm，大孔径双环形缠绕线圈内径为20mm～40mm。

3.根据权利要求1所述的高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：所述的环形骨架选用光敏树脂材料或者陶瓷纤维材料通过3D打印方法制成。

4.根据权利要求1所述的高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：所述的小孔径双环形缠绕线圈的两个环形骨架结构的环状结构外表面中间有凹槽，凹槽上是由坡莫合金薄带或非晶合金薄带缠绕1～3匝而成的软磁磁芯；所述的大孔径双环形缠绕线圈的两个环形骨架结构的环状结构外表面中间有凹槽，凹槽上是由坡莫合金薄带或非晶合金薄带缠绕5～8匝而成的软磁磁芯。

5.根据权利要求1所述的高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：所述LC谐振电路包括电容和感应线圈的等效电感；所述仪表放大电路包括仪表放大器和可调电位器；所述积分电路包括运算放大器和电容电阻；所述反馈功放电路包括功率放大器和外围电路；所述模数转换电路包括差分放大器和模数转换器ADC。

6.根据权利要求1所述的高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：所述带通滤波电路为巴特沃斯带通滤波器。

7.根据权利要求1所述的高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：所述相敏检波电路包括移相电路和检波电路；移相电路使得输入的二倍频参考方波信号移相，检波电路是利用移相后得到的二倍频方波作为开关，控制二次谐波正弦信号的导通与关断，从而实现检波功能。

8.根据权利要求1所述的高精度双量程磁通门电流传感器，其特征在于：所述开关为滑动开关或电磁继电器。

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