CN114689925B - 一种隔离式瞬态短路电流的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离式瞬态短路电流的测试系统及方法，测试系统包括：恒压源、桥式电流信号磁场传感器、高速信号放大器、示波器；所述恒压源为所述桥式电流信号磁场传感器提供恒定电压；所述桥式电流信号磁场传感器包括两个并联的电桥支路，每个电桥支路串联有两个薄膜磁敏电阻，两电桥支路中点的电压差随着磁场变化而线性变化；所述高速信号放大器对两电桥支路中点的电压差进行放大；所述示波器对放大后的两电桥支路中点的电压差进行显示和记忆，并完成相应的采样测量。本发明响应速度快，迟滞很小；与被测电流完全隔离，绝缘强度高；可以测量大电流，通过调整耦合系数η，即可测量不同范围的电流值。

Description

一种隔离式瞬态短路电流的测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电子元器件检测技术领域，尤其涉及一种隔离式瞬态短路电流的测试系统及方法。

背景技术

在电子元器件检测过程中，经常需要对其抗过载能力和因负载短路而提供的短路保护能力进行检测和评价。

传统的方法均为介入法，具体有：

（1）在测量线路中接入取样电阻，测量取样电阻上的电压降，通过计算方式，得出短路电流的大小，这个方法经常因为系统寄生电阻和接入取样电阻的温度系数变化和电阻的电压系数电流系数而存在测量精度不高的问题。

（2）采用电流钳方法，利用电流产生的磁场，采用电流线穿过闭合磁环的方法，利用磁电效应，对电流进行测试，这种测量方法的带宽受到磁材的制约，且存在磁滞现象，一段时间之后，因磁材的磁化效应，会影响测量精度，且每次都需要将电流线引入到磁环中，使用不方便。

（3）电流表法，只能测恒稳电流，对脉冲型的瞬态短路大电流无法测试，是典型的介入测量法，电流表的测量精度与自身导线电阻有关，寄生电阻的存在限制了短路电流的大小，不能真实反映负载的短路过程。

短路现象发生在极短的时间内，表现为瞬态大电流，电流高达几百到几千安培，持续时间一般为几纳秒到几毫秒，若没有响应足够快的传感器和信号检出单元，几乎无法对瞬态短路电流进行有效、准确、系统的检测，这也是测试行行业急需解决的技术问题之一。

现有的上述三种测试方法，存在以下问题：

一是无法准确地读取瞬态大电流的幅值、上升沿、下降沿、持续时间。

二是均使用介入法测量，相应仪表接入系统中进行测试时，等效为在系统中接入了取样电阻，测量结果会受到一定程度干扰。

三是响应速度不够快，带宽不够，不能准确测量快速变化的瞬时电流。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种隔离式瞬态短路电流的测试系统及方法，利用电磁转换的物理关系，利用流过瞬态大电流的导体周围所产生的磁场对磁敏电阻产生的影响进行快速检测，从而得知导体中瞬态大电流的相关信息，完成相应瞬态大电流的检测。

本发明提供一种隔离式瞬态短路电流的测试系统，包括：恒压源、桥式电流信号磁场传感器、高速信号放大器、示波器；

所述恒压源为所述桥式电流信号磁场传感器提供恒定电压；

所述桥式电流信号磁场传感器包括两个并联的电桥支路，每个电桥支路串联有两个薄膜磁敏电阻，每个电桥支路的电流恒定，两电桥支路中点的电压差随着磁场变化而线性变化；

所述高速信号放大器对两电桥支路中点的电压差进行放大；

所述示波器对放大后的两电桥支路中点的电压差进行显示和记忆，并完成相应的采样测量。

进一步地，每个电桥支路的两个薄膜磁敏电阻的电阻随磁感应强度的变化而反向变化。

进一步地，四个所述薄膜磁敏电阻制作在一个平面上。

进一步地，四个所述薄膜磁敏电阻制作在带有金属化通孔的陶瓷衬底片上，所述陶瓷衬底片的另一面有金属化层。

进一步地，所述陶瓷衬底片固定在陶瓷绝缘支撑片上，所述陶瓷绝缘支撑片设置有金属夹心导电层，所述金属夹心导电层引出有电流引脚。

进一步地，还包括电源模块，为所述恒压源和所述高速信号放大器供电。

本发明还提供一种隔离式瞬态短路电流的测试方法，包括以下步骤：

步骤一，将桥式电流信号磁场传感器放置在待测电流线附近，使待测电流线产生的磁力线平行穿过所述桥式电流信号磁场传感器上的薄膜磁敏电阻，开始瞬态短路电流测试；

步骤二，将桥式电流信号磁场传感器的两桥式支路上的两薄膜磁敏电阻中点的电压差通过高速信号放大器进行放大；

步骤三，通过示波器记录放大后的电压差信号，并计算瞬态短路电流的大小。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤三中，计算短路电流大小的公式为：

其中，V_AB表示桥式电流信号磁场传感器的两桥式支路上的两薄膜磁敏电阻中点的电压差，d表示薄膜磁敏电阻与金属夹心导电层之间的距离，K表示薄膜磁敏电阻的磁阻灵敏度，μ表示复合磁导率。

本发明提供的一种隔离式瞬态短路电流的测试系统及方法的有益效果在于：响应速度快，迟滞很小；与被测电流完全隔离，绝缘强度高，检测系统的电气参数不会影响到被测系统；可以测量大电流，通过调整耦合系数η，即可测量不同范围的电流值；使用简单、方便，兼容性好，经济实用。

附图说明

图1为本发明提供的一种隔离式瞬态短路电流的测试系统的结构示意图。

图2为本发明提供的桥式电流信号磁场传感器的结构示意图。

图3为本发明提供的恒压源的电路图。

图4为本发明提供的薄膜磁敏电阻桥与陶瓷衬底片装配的结构图。

图5为本发明提供的磁敏电阻片与陶瓷绝缘支撑片的组合安装图。

图6为本发明提供的陶瓷绝缘支撑片的结构示意图。

图7为本发明提供的金属夹心导电层通过电流产生的磁场示意图。

图8为V_AB与Ix的波形示意图。

图中：1-薄膜磁敏电阻，2-金属化通孔，3-陶瓷衬底片，4-金属化层，5-陶瓷绝缘支撑片，6-金属夹心导电层，7-电流引脚，8-磁敏电阻片，9-通孔，10-表面保护膜，11-焊料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明提供的一种隔离式瞬态短路电流的测试系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种隔离式瞬态短路电流的测试系统，包括：

桥式电流信号磁场传感器，如图2所示，桥式电流信号磁场传感器包括四个薄膜磁敏电阻R1、R2、R3、R4，R1与R3串联形成一个电桥支路，R2与R4串联形成另一个电桥支路，R1、R4的电阻随磁感应强度的增大而减小，R2、R3的电阻随磁感应强度的增大而增大，两电桥支路中点的电压差V_AB会随磁感应强度的增加而增加。四个薄膜磁敏电阻R1、R2、R3、R4制作在一个平面上，当磁力线平行穿过薄膜磁敏电阻时，电阻的阻值与磁感应强度呈线性相关性，R1=R4=R0-ΔR，R2=R3=R0+ΔR，V_AB=Vcc×ΔR/R0，其中，Vcc是稳定度极高的精密电源，ΔR是因磁场变化引起的薄膜磁敏电阻变化量。

恒压源，图3为本发明提供的恒压源的电路图，由稳压管提供基本参考电压，C1为去噪电容，C2为积分电容，尽量压缩带宽并降低系统噪声，Q2为稳压管提供必要工作电流，且有温度负反馈作用，可以使稳压管工作在恒定电流状态，从Q1发射极输出5.000±0.002V恒定电压，提供给电桥工作，也可以提供其它所需的电压值，只需调整电路中可调电阻即可实现。

高速信号放大器，高速信号放大器的第一输入端与R1、R2的连接点连接，高速信号放大器的第二输入端与R3、R4的连接点连接，用于放大电压差V_AB，高速信号放大器压罢率为350V/μS以上，能够对上升沿在纳秒级的信号进行响应，也可采用成品宽带运算放大器。

示波器，示波器的输入端与高速信号放大器的输出端连接，用于对高速信号放大器的输出信号进行显示和记忆，并完成相应的采样测量。

本发明的检测原理为，将桥式电流信号磁场传感器平行放置于待测电流线一侧，待测电流的磁力线平行穿过薄膜磁敏电阻，改变薄膜磁敏电阻的阻值，使电桥R1、R2的连接点与R3、R4的连接点之间产生不平衡电压差，从而感知被测电流大小。在强磁场下，薄膜磁敏电阻的阻值与磁感应强度呈线性相关性，而V_AB=Vcc×ΔR/R0，则V_AB=KB，其中K为敏感系数。按照物理定律，通有电流的导线周围产生的磁场为：B=μIx/d，其中μ为复合磁导率，Ix为通过导线的电流，B为距导线表面距离为d处的磁感应强度，则V_AB=KμIx/d=ηIx，其中η=Kμ/d，称为耦合系数，可以通过标定法进行确定，标定时，将10A、100A、300A标准恒流分别通入待测导线，检测相应不平衡电压差V_AB，得到η₁、η₂、η₃，则η=(η₁+η₂+η₃)/3，被测电流Ix=V_AB/η。可见，V_AB与待测电流Ix呈线性相关性，可准确反映待测电流Ix的信息，波形示意图如图8所示。从示波器可获取待测电流的电流峰-峰值、上升沿、下降沿、谐振频率等信息。

桥式电流信号磁场传感器的等效电阻为：

R=(R1+R3)//(R2+R4)=(R1+R3)×(R2+R4)/(R1+R2+R3+R4)

在无磁场时，R1=R2=R3=R4=R0，等效电阻为R=R0；有磁场时，R1、R4减小，R2、R3增加，且R1、R4减小的比例与R2、R3增加的比例完全相同，总的等效电阻R仍为R0。

作为本发明的一种优选技术方案，如图4所示，四个薄膜磁敏电阻1制作在带有金属化通孔2的陶瓷衬底片3上，薄膜磁敏电阻1的设置有表面保护膜10，陶瓷衬底片3的另一面有金属化层4，用于薄膜磁敏电阻与外部被测短路电流实现电气连接，金属化通孔2采用金属桨料进行填充，完成正面薄膜电阻与背面金属化层4的连接。

作为本发明的一种优选技术方案，如图5所示，将陶瓷衬底片和薄膜磁敏电阻组成的磁敏电阻片8固定在厚度为0.6～1.0mm、宽度为3mm～5mm的矩形陶瓷绝缘支撑片5上，构成电流检测单元，采用焊料11将薄膜电阻和陶瓷绝缘支撑片焊接为一体，这样做是为了让磁敏电阻更好地贴近产生磁场的电流导体层。如图6所示，陶瓷绝缘支撑片5设置有金属夹心导电层6，金属夹心导电层6通过通孔9引出有电流引脚7，由于磁敏薄膜电阻在磁场作用下会磁化，测试量从电流引脚7进行通电流，以消除磁化引起的测量误差，通孔9用导体桨料实现填充。陶瓷绝缘支撑片5的具体制作方法为：在一定厚度的并制做好引线通孔的陶瓷片上印刷导体层并在导体层表面再覆盖一层较厚陶瓷介质层，以起到绝缘作用，通孔用导体桨料实现填充，在陶瓷片背面金属化层焊接上引线针脚，一般采用HTCC工艺制成。

测试时将待测电流线与电流引脚7连接，电流通过金属夹心导电层6，在其四周产生磁场，如图7所示，在距金属夹心导电层一定距离处，有一定数量的磁力线平行穿过薄膜磁敏电阻，引起电阻变化，在桥式磁敏电阻的两个中点处产生不平衡电压，这个不平衡电压就代表了相应电流产生的磁场强度。在电流测量过程中，磁敏电阻与被测电流完全隔离，绝缘电压大于1500V以上，不对被测电流产生任何影响，实现了短路大电流的非介入式测量。

本发明还设置有电源模块，为恒压源和高速信号放大器供电。为了适应于多种应用场合，统一使用高稳定度供电电源，对于高的电压，则在系统内采用二次精密稳压器件，产生适合的二次精密恒压电压源。

本发明还提供一种基于上述隔离式瞬态短路电流测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤一，将桥式电流信号磁场传感器放置在待测电流线附近，使待测电流线产生的磁力线平行穿过所述桥式电流信号磁场传感器上的薄膜磁敏电阻，开始瞬态短路电流测试；

步骤二，将所述桥式电流信号磁场传感器的两桥式支路上的两薄膜磁敏电阻中点的电压差通过高速信号放大器进行放大；

步骤三，通过示波器记录放大后的电压差信号，并计算瞬态短路电流的大小。

在本发明的一个实施例中，所述步骤一中，将桥式电流信号磁场传感器放置在待测电流线附近的方式为将桥式电流信号磁场传感器固定在陶瓷绝缘支撑片5上，将待测电流线与陶瓷绝缘支撑片5上的电流引脚7连接。

在本发明的一个实施例中，所述步骤三中，计算短路电流大小的公式为：

其中，V_AB表示桥式电流信号磁场传感器的两桥式支路上的两薄膜磁敏电阻中点的电压差，d表示薄膜磁敏电阻与金属夹心导电层之间的距离，K表示薄膜磁敏电阻的磁阻灵敏度，μ表示复合磁导率。

Claims (3)

1.一种隔离式瞬态短路电流的测试系统，其特征在于，包括：恒压源、桥式电流信号磁场传感器、高速信号放大器、示波器；

所述恒压源为所述桥式电流信号磁场传感器提供恒定电压；

所述桥式电流信号磁场传感器包括两个并联的电桥支路，每个电桥支路串联有两个薄膜磁敏电阻，每个电桥支路的电流恒定，两电桥支路中点的电压差随着磁场变化而线性变化；

所述桥式电流信号磁场传感器包括四个薄膜磁敏电阻R1、R2、R3、R4，R1与R3串联形成一个电桥支路，R2与R4串联形成另一个电桥支路，R1、R4的电阻随磁感应强度的增大而减小，R2、R3的电阻随磁感应强度的增大而增大；

R1与R2的连接端与Vcc连接，R3与R4的连接端与GND连接；

四个所述薄膜磁敏电阻制作在一个平面上；

四个所述薄膜磁敏电阻制作在带有金属化通孔的陶瓷衬底片上，所述陶瓷衬底片的另一面有金属化层；

所述陶瓷衬底片固定在陶瓷绝缘支撑片上，所述陶瓷绝缘支撑片设置有金属夹心导电层，所述金属夹心导电层引出有电流引脚；

所述高速信号放大器对两电桥支路中点的电压差进行放大；

所述示波器对放大后的两电桥支路中点的电压差进行显示和记忆，并完成相应的采样测量；

所述测试系统计算短路电流大小的公式为：

其中，V_AB表示桥式电流信号磁场传感器的两桥式支路上的两薄膜磁敏电阻中点的电压差，d表示薄膜磁敏电阻与金属夹心导电层之间的距离，K表示薄膜磁敏电阻的磁阻灵敏度，μ表示复合磁导率。

2.根据权利要求1所述的一种隔离式瞬态短路电流的测试系统，其特征在于，还包括电源模块，为所述恒压源和所述高速信号放大器供电。

3.一种隔离式瞬态短路电流的测试方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-2任意一项所述的隔离式瞬态短路电流的测试系统，包括以下步骤：

步骤一，将桥式电流信号磁场传感器放置在待测电流线附近，使待测电流线产生的磁力线平行穿过所述桥式电流信号磁场传感器上的薄膜磁敏电阻，开始瞬态短路电流测试；

步骤二，将所述桥式电流信号磁场传感器的两桥式支路上的两薄膜磁敏电阻中点的电压差通过高速信号放大器进行放大；

步骤三，通过示波器记录放大后的电压差信号，并计算瞬态短路电流的大小；

所述步骤一中，将桥式电流信号磁场传感器放置在待测电流线附近的方式为将桥式电流信号磁场传感器固定在陶瓷绝缘支撑片上，将待测电流线与陶瓷绝缘支撑片上的电流引脚连接；

所述步骤三中，计算短路电流大小的公式为：

其中，V_AB表示桥式电流信号磁场传感器的两桥式支路上的两薄膜磁敏电阻中点的电压差，d表示薄膜磁敏电阻与金属夹心导电层之间的距离，K表示薄膜磁敏电阻的磁阻灵敏度，μ表示复合磁导率。

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