CN115561510A - 低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器及测量方法，所述传感器包括镂空式结构的磁芯、逻辑判断装置、激励信号发生装置和信号处理装置；磁芯由半径相同但角度不同的半圆环和整圆环交替堆叠形成的镂空式圆环结构，在半圆环与整圆环交替侧缠绕第一激励绕组，在整圆环与空隙交替侧缠绕第二激励绕组；根据逻辑判断装置判断的待测电流的大小，控制第一/或第二激励绕组的输入端连接激励信号发生装置以及第一/或第二激励绕组的输出端连接信号处理装置。本发明提供的磁通门电流传感器，通过采用镂空式结构的磁芯，能够比例放大待测小电流、扩大传感器的测量范围，还能有效降低传感器的功率消耗和磁芯内的损耗，提高测量准确度。

Description

低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器及测量方法

技术领域

本发明属于电气工程及测量电变量技术领域，具体涉及一种低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器及测量方法。

背景技术

近些年来，随着智能电网技术的发展，越来越多电力设备的状态监测技术被关注，其中很多电力设备的状态是通过监测设备两端的电压和流过设备的电流进行判断的，而很多电力设备因为其本身材料和结构导致流过该设备的电流小至微安级别，再加上电力设备所处环境存在的电磁干扰，这更增大了电流测量的难度，同时为实现电力设备的持续状态监测，状态监测设备的损耗问题也是必须要考虑的因素，损耗问题会严重影响设备的测量准确度。为响应国家的“双碳”战略，实现小电流的测量以及降低状态监测设备的损耗问题，从根本上降低状态监测设备的功耗成为研究的关键问题。

磁通门传感器是一种基于磁通门技术利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量微弱磁场的，并通过微弱磁场与待测电流间的关系来间接实现测量直流电流目的的电流传感器。

传统的磁通门电流传感器在进行小直流电流的测量时，由于待测直流电流较小，其在磁芯中产生的磁场强度也会很弱，为实现磁芯周期性饱和状态和非饱和状态变化的前提条件，需要在激励绕组线圈中添加较大的激励信号，在较大的激励信号产生的交变磁场的作用下，感应线圈中会产生仅含奇次谐波的对称的感生电信号，而在待测直流电流所产生的磁场的作用下，感应线圈中对称的电信号会发生偏移，由于待测直流电流较小，其所产生的磁场引起感应线圈内部电信号的偏移量相较于整个电信号也会很小，在噪声的干扰下会严重影响传感器的测量准确度。除此之外为实现磁芯周期性饱和所加的较大的激励信号也会增加传感器的功耗以及磁芯内部的损耗，造成的磁芯温升会影响磁芯材料的磁导率、饱和磁感应强度等参数，从而进一步影响到磁通门电流传感器的测量精准确度。

传统的磁通门电流传感器在进行较大直流电流的测量时，由于待测直流电流较大，其在磁芯中会产生较强的磁场，该磁场会使磁芯趋于饱和或达到饱和，为实现磁芯周期性饱和状态和非饱和状态变化的前提条件，需要在激励绕组线圈中添加比待测大直流电流更大的激励信号来实现磁芯的负向饱和，激励信号产生的交变磁场会引起感应线圈内产生仅含奇次谐波的对称电信号，在待测大直流电流产生的较强的磁场的影响下，会引起感应线圈内原本的电信号产生较大程度的偏移，相较于小电流的测量有较高的测量准确度，但在较大的直流待测电流和更大的激励信号及其产生的交变强磁场的作用下，磁通门电流传感器的功耗和磁芯内部的涡流、磁滞损耗也会急剧增加，磁芯产生的更大的温升会反作用影响磁芯的一些特征参数，造成磁通门电流传感器测量准确度的下降。

传统磁通门电流传感器的探头是由磁芯、激励绕组线圈、感应线圈三部分组成，其中磁芯通常都是质地均匀、形状规则的圆环结构，传统磁芯的圆环结构限制了磁通门电流传感器的测量范围，当磁芯的横截面积相较于待测直流电流值较大时，磁芯内部由待测电流产生的磁通密度较小，在噪声的干扰下，会使原本微弱的磁场更加难以测量，同时还需要较大的激励信号来实现磁芯的周期性饱和，这会增加磁通门电流传感器的功耗和损耗；当磁芯的横截面积相较于待测电流值较小时，仅由待测电流产生的磁场便可使磁芯趋于或达到正向饱和，这就需要更大的激励信号来实现磁芯的负向饱和；更大的激励信号以及较大的待测电流不仅仅会增加磁通门电流传感器的功率消耗和磁芯内部损耗，由损耗导致的温升还会影响传感器的测量准确度。

综上所述，传统的磁通门电流传感器的磁芯是限制传感器测量范围的一个主要原因，这也导致了传统的磁通门电流传感器测量范围较窄，而且无论是测量小电流还是测量大电流，功耗和损耗问题都是磁通门电流传感器在测量过程中不可避免且不可忽略的问题，因为损耗主要来源于磁芯内部的涡流损耗和磁滞损耗，损耗过大会导致磁芯温度的升高进而影响磁芯材料的磁导率等特征参数的变化，最终影响传感器的测量准确度。因此，降低传统磁通门电流传感器的功耗和损耗问题有着重大的意义。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器及测量方法，该磁通门电流传感器中的磁芯结构为半径相同但角度不同的半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠形成的镂空式圆环结构，不仅能够比例放大待测小电流、扩大传感器的测量范围，还能有效降低传感器的功率消耗和磁芯内的损耗，进一步提高传感器的测量准确度。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器，包括镂空式结构的磁芯、激励信号发生装置、信号处理装置以及逻辑判断装置，所述磁通门电流传感器工作时，所述逻辑判断装置根据待测电流的大小自动切换测量方案，其中：

所述磁芯是由半径相同但角度不同的半圆环和整圆环交替堆叠形成的镂空式圆环结构，在半圆环和整圆环交替堆叠侧缠绕有用于测量大电流的第一激励绕组，在整圆环与空隙交替侧缠绕有用于测量小电流的第二激励绕组，其中所述半圆环和整圆环之间是电绝缘的；

所述激励信号发生装置包括两个自激振荡信号发生电路，分别对应第一激励绕组以及第二激励绕组；所述激励信号发生装置的输入端与所述逻辑判断装置的输出端连接，输出端与对应的第一激励绕组或第二激励绕组连接；

所述信号处理装置包括两个等级信号处理电路，分别对应第一激励绕组和第二激励绕组，其中，与第一激励绕组对应的等级信号处理电路的输出端与所述逻辑判断装置的输入端以及第一激励绕组连接。

进一步的，所述第一激励绕组的匝数大于第二激励绕组的匝数。

进一步的，所述半圆环和整圆环的角度相差180°，材料均为高磁导率、低矫顽力的1J85型坡莫合金。

进一步的，所述逻辑判断装置根据待测电流的大小自动切换测量方案，包括：

所述逻辑判断装置通过判断待测电流的大小，确定投入工作的激励绕组；利用投入工作的激励绕组对应的等级信号处理电路对投入工作的激励绕组的电压进行测量，得到待测电流的值。

进一步的，所述信号处理装置还包括数字信号处理电路；

所述两个等级信号处理电路分别为第一等级信号处理电路以及第二等级信号处理电路，用于对大、小电流的待测电流进行测量；

所述逻辑判断装置通过判断待测电流的大小，确定投入工作的激励绕组；利用投入工作的激励绕组对应的等级信号处理电路对投入工作的激励绕组的电压进行测量，得到待测电流的值，包括：

所述逻辑判断装置控制第一激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路连接；所述第一等级信号处理电路开始工作从第一激励绕组中采集电信号，并将处理后电信号反馈至所述第一激励绕组以及逻辑判断装置中；

所述逻辑判断装置对所述处理后电信号进行判断，若为大电流，则第一激励绕组仍与其对应的自激振荡信号电路连接，第一等级信号处理电路继续工作从第一激励绕组中采集电信号并进行处理；若为小电流，则所述逻辑判断装置控制所述第一激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路断开连接，并控制第二激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路连接；第二等级信号处理电路开始工作从第二激励绕组中采集电信号并进行处理；

将处理后的电信号经过所述数字信号处理电路，得到待测电流的值。

进一步的，所述第一等级信号处理电路包括差分稳压电路、分压电路、积分放大电路、低通滤波电路以及双通道反馈电路；

所述第一等级信号处理电路工作时，将从所述第一激励绕组中采集的电信号经过差分稳压电路消除噪声的影响，再经过分压电路后输入到积分放大电路中得到待测电流的积分值，将积分后的电信号经过低通滤波器处理后，将处理后的电信号通过双通道反馈电路分别反馈至所述第一激励绕组和逻辑判断装置中；其中，反馈至第一激励绕组的信号用于抵消待测电流引起的第一激激励绕组中的电信号的偏移，使磁芯内部的平均磁场强度为零；反馈至逻辑判断装置中的信号用于帮助逻辑判断装置判断待测电流的大小，根据待测电流的大小确定投入工作的激励绕组与对应的自激振荡信号发生电路以及信号处理电路连接。

进一步的，所述第二等级信号处理电路包括差分放大电路、多级放大电路以及带通滤波电路；

所述第二等级信号处理电路工作时，从第二激励绕组中采集的电信号经过差分放大电路消除噪声的影响，再通过多级放大电路对小信号进行放大，放大后的信号经过带通滤波电路得到偶次谐波含量。

进一步的，所述逻辑判断装置包括低功耗MCU和外围信号采集电路；

所述外围信号采集电路采集所述处理后电信号；

所述低功耗MCU将所述外围信号采集电路采集的电信号进行模数转换；根据转换的数值和所述低功耗MCU中设置的阈值判断待测电流的大小：若转换的数值大于所述阈值，则待测电流为大电流，否则待测电流为小电流；

根据判断的待测电流的大小，利用低功耗MCU的输出信号为开关控制信号以实现投入工作的激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路以及信号处理电路连接。

进一步的，所述激励信号发生装置还包括功率放大电路；

所述两个自激振荡信号发生电路为第一绕组自激振荡信号发生电路和第二绕组自激振荡信号发生电路，分别对应第一激励绕组以及第二激励绕组，均用于产生高频正弦波激励信号；

所述第一绕组自激振荡信号发生电路和第二绕组自激振荡信号发生电路均通过所述功率放大电路与相应的激励绕组连接。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种电流测量方法，使用如上述的磁通门电流传感器实现导体电流测量。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明提供的磁通门电流传感器，采用了半径相同的半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠形成的镂空式圆环结构。磁芯的镂空式圆环结构虽然无法从本质对待测电流进行放大，但能够提高待测电流在激励绕组线圈中引起的偶次谐波的占比，从而实现比例放大待测电流的目的，可以提高磁通门电流传感器的测量准确度。由于第二激励绕组线圈缠绕在整圆环坡莫合金片与空隙交替侧，自激振荡信号发生电路只需要产生较小的激励信号即可使该侧的磁芯实现正反向饱和。放大待测电流相较于激励信号的占比，不仅能够减小信号处理过程中的误差，提高传感器的测量准确度，还能通过减小激励信号来实现降低传感器的功率消耗的目的。

2、本发明提供的磁通门电流传感器，根据不同待测电流值的大小选择不同的自激振荡信号发生电路和信号处理电路，从而增加了传感器的测量范围，相较于传统磁通门电流传感器的功率消耗也明显降低。尤其在微弱(小)电流的测量过程中，整圆环坡莫合金片和空隙交替侧磁芯内的磁感应强度大于半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧磁芯内的磁感应强度，从而减小了第二激励绕组中激励信号的大小，达到了降低传感器功耗的目的。

3、本发明提供的磁通门电流传感器，信号处理电路包括用于处理待测大电流的第一等级信号处理电路和用于处理待测微弱电流的第二等级信号处理电路，两种类型的信号处理电路有着本质上的区别。在对不同范围电信号的处理过程也有明显的差异，其中第一等级信号处理电路为闭环控制且有双反馈信号，而第二等级信号处理电路为开环控制。逻辑判断装置在接收到第一等级信号处理电路反馈的信号后，将接收到的信号与设置的阈值进行比较，若大于阈值则判断待测电流是大电流，第一等级信号处理电路开始工作，会测量第一激励绕组内的电信号并经过一系列处理后反馈至第一激励绕组和逻辑判断装置中，直至信号处理电路工作在稳态，此时传感器磁芯内部的平均磁场强度为零；若接收到的反馈信号小于阈值则判断待测电流是小电流，第二等级信号处理电路开始工作，会测量第二激励绕组内的电信号并经过放大和滤波电路，最后由数字信号处理电路得到待测微弱电流的值，在这个过程中传感器磁芯内部的平均磁场强度不为零且平均磁场强度在数值上等于待测电流产生的磁场强度。

4、本发明提供的磁通门电流传感器，利用镂空式的磁芯结构能够有效地降低由磁芯引起的涡流损耗和磁滞损耗，保证了磁芯材料特征参数的稳定，提高了传感器的测量准确度。无论待测电流是大电流还是微弱电流，磁芯内部的磁场强度分布状态总是整圆环坡莫合金片和空隙交替侧的磁场强度大于半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金交替堆叠侧的磁场强度，更强的交变磁场会导致整圆环坡莫合金片和空隙交替侧的磁芯内产生更大的损耗，尤其是在测量大电流的过程中，整圆环坡莫合金片和空隙交替侧磁芯内的损耗会更大，磁芯内不同程度的损耗会导致不同程度的温升，温升会对磁芯材料的磁导率、饱和磁感应强度等特征参数产生影响，从而进一步影响到磁通门电流传感器的测量准确度。本发明中的磁芯的半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠的镂空式圆环结构能够显著地降低磁芯内部的损耗，减小磁芯的温升对磁芯材料特征参数的影响进而提高本磁通门电流传感器的测量准确度。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的磁通门电流传感器的结构框图。

图2为本发明实施例1的磁芯结构示意图，其中图(a)是构成磁芯结构的半圆环和整圆环，图(b)是半径相等的半圆环和整圆环交替堆叠的镂空式圆环结构。

图3为本发明实施例1的信号处理装置的信号处理流程示意图，其中图(a)、(b)分别为第一、第二等级信号处理电路工作时的信号处理流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本发明实施例提供了一种低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器，是低功耗低损耗且能够比例放大待测小电流的磁通门电流传感器，传感器根据反馈信号对待测电流范围进行判断，并与不同等级的信号处理电路构成闭环或开环的信号处理系统。

如图1所示，本发明实施例提供的低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器包括：镂空式圆环结构的磁芯、第一激励绕组、第二激励绕组、激励信号发生装置、逻辑判断装置、第一等级信号处理装置和第二等级信号处理装置。

如图2所示，本发明实施例中所述的磁芯的镂空式圆环结构是由半径相同的半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠形成的，其中半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片的角度不同，一个整圆环坡莫合金片可以被制成两个半圆环坡莫合金片；镂空式圆环磁芯上缠绕有第一激励绕组和第二激励绕组，所述构成激励绕组的导线需具备较小的横截面半径和较强的载流能力。激励绕组的匝数由测量范围决定，根据待测电流范围的不同，所述缠绕在半圆环和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧的第一激励绕组的匝数大于缠绕在整圆坡莫合金片和空隙交替侧的第二激励绕组的匝数。本发明实施例中第一激励绕组的匝数为第二激励绕组的匝数的1-3倍。

本发明实施例中，所述的镂空式结构的磁芯的基本组成结构为半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片，其中第一激励绕组缠绕在半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧，第二激励绕组缠绕在整圆环坡莫合金片和空隙交替侧；磁芯各横截面通过的磁通量是一定的，由于镂空式的结构，整圆环坡莫合金片和空隙交替侧的磁通密度要大于半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧，因此在测量小电流的过程中，所需第二激励绕组的激励信号要小于第一激励绕组中的激励信号，降低了传感器的功率消耗，对于整圆环坡莫合金片和空隙交替侧由于磁通密度的增加而增加的损耗，采用不同类型圆环的交替堆叠可以有效降低磁芯的损耗问题，需要注意的是不同类型坡莫合金片之间是电绝缘的；磁芯的尺寸与所需测量电流的大小以及传输待测电流的导线均是相互关系的，通过仿真结果得出待测电流的值越小，为保持测量的准确度，磁芯的尺寸也就越小，因此磁芯的具体尺寸应根据实际情况下的待测电流值和载流导线而定；激励信号的大小则应根据磁芯的尺寸而定，在待测电流的作用下，激励信号应能满足磁芯周期性饱和的条件。总之，待测电流的大小决定了磁芯的尺寸以及激励信号的大小，而磁芯的尺寸和激励信号大小的确定也能够确定磁通门电流传感器的测量范围。

本发明实施例中所述的镂空式圆环磁芯的材料是1J85型坡莫合金，构成磁芯的基本结构是半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片，磁芯上缠绕有用于不同测量范围的激励绕组，可灵活调整激励信号的大小，降低传感器的功率消耗。所述第一激励绕组和第二激励绕组均使用具有一定绝缘程度和一定载流能力的细漆包线。

如图1所示，本发明实施例中信号测量和处理过程中涉及到的主要部分有逻辑判断装置、激励信号发生装置和信号处理装置，其中逻辑判断装置主要包括低功耗MCU和外围信息采集电路；激励信号发生装置主要包括一个功率放大电路和两个自激振荡信号发生电路；信号处理装置主要包括第一等级信号处理电路和第二等级信号处理电路且共用一个数字信号处理电路，除此之外第一等级信号处理电路还包括差分稳压电路、分压电路、积分放大电路、低通滤波电路以及双通道反馈电路，而第二等级信号处理电路包括差分放大电路、多级放大电路和带通滤波电路。

本发明实施例中所述激励信号发生装置包括第一激励绕组线圈、第二激励绕组线圈对应的自激振荡信号发生电路和功率放大电路，其中功率放大电路的输入和输出由低功耗MCU进行控制，经过MCU判断后用于工作的自激振荡信号发生电路会自激振荡产生高频正弦波激励信号并输入至功率放大电路，同时MCU也会控制功率放大电路的输出与对应的激励绕组线圈相连接。在这个过程中，仅有一个激励绕组线圈和其对应的自激振荡信号发生电路处于工作状态，而另一个激励绕组线圈由于未与其对应的自激振荡信号发生电路相连接而处于开路状态，从而避免了激励绕组线圈之间的相互干扰。

本发明实施例所述信号处理装置包括第一等级信号处理电路和第二等级信号处理电路以及数字信号处理电路，不同工作状态下，对信号的测量和处理过程也不相同，磁芯内部的磁场状态也有明显的差异，其中：

所述第一等级信号处理电路包括：差分稳压电路、分压电路、积分放大电路、低通滤波电路和反馈电路。其中，反馈电路包括反馈至第一激励绕组线圈和逻辑判断装置中的两路反馈信号，反馈至第一激励绕组线圈的信号用于抵消待测电流引起的激励绕组线圈中的电信号的偏移，使磁芯内部的平均磁场强度为零；反馈至逻辑判断装置中的信号用于帮助低功耗MCU判断待测电流的范围，从而确定投入工作的激励绕组线圈和信号处理电路。

所述第二等级信号处理电路包括：差分放大电路、多级放大电路和带通滤波电路。与第一等级信号处理电路相比最明显的区别在于没有反馈电路，因此逻辑判断装置的反馈信号仅来自于第一等级信号处理电路，由于待测电流较小，因此采集过程中首先进行了差分放大处理，将放大后的信号经过带通滤波电路提取偶次谐波的含量，再利用待测电流与偶次谐波之间的关系由数字信号处理电路计算得到待测电流的值，在这个过程中磁芯内部的平均磁场强度不再为零。

本发明实施例中，只有第一等级信号处理电路存在两个反馈通道，而第二等级信号处理电路为开环测量，所以逻辑判断装置接收到的反馈信号始终来源于第一等级信号处理电路，逻辑判断装置根据反馈信号与所设置阈值的大小关系即可判断待测电流值的范围从而控制功率放大电路的输入输出分别与自激振荡信号发生电路和对应的激励绕组线圈相连接，需要注意的是虽然有两个激励绕组线圈但功率放大电路只有一个，因此任何时刻都仅有一个激励绕组线圈处于工作状态，而另一个激励绕组线圈由于没有与对应的自激振荡信号发生电路连接而处于断路状态，采用这种策略可以避免非工作状态的激励绕组线圈中由于交变磁场产生的电流对测量结果准确度的影响。

本发明实施例中，逻辑判断装置中低功耗MCU中设置的阈值根据传感器的测量范围确定。

在一个实施例中，取小电流测量范围的最大值为测量范围最大值的1/10，阈值的数值取小电流测量范围的最大值所对应的数字信号值。若传感器的测量范围为[0A，50A]，则传感器的小电流测量范围为[0A,5A]，大电流的测量范围为(5A，50A]。低功耗MCU的参考电压选择3.3V，MCU的模数转换通道有12位分辨率，则模拟电压信号0～3.3V对应了数字信号值的0～4095。本磁通门电流传感器在初始工作状态下，第一激励绕组线圈及其对应的自激振荡信号发生电路与功率放大电路连接，第一等级信号处理电路投入工作，此时传感器进行待测电流的判断：0～50A范围内的待测电流信号经过第一等级信号处理电路后会转换为与0～3.3V相对应的电压信号，此时小电流测量范围的最大值5A对应0.33V的电压信号，经过逻辑判断装置模拟信号0.33V会转换为数字信号值409，数字信号的数值409即为所设置阈值的大小，若逻辑判断装置接收到的反馈信号对应的数字信号值大于409，则第一激励绕组线圈及其对应的自激振荡信号发生电路继续工作；若逻辑判断装置接收到的反馈信号对应的数字信号值小于409，则逻辑判断装置控制功率放大电路与第二激励绕组线圈及其对应的自激振荡信号发生电路连接，第二等级信号处理电路投入工作。

如图3所示，本发明实施例中，本磁通门电流传感器开始工作时，逻辑判断装置会控制功率放大电路与第一激励绕组线圈及其对应的自激振荡信号发生电路相连接，此时第一等级信号处理电路开始工作，从第一激励绕组中采集得到的电信号首先经过差分稳压电路消除噪声的影响，经过分压电路后输入到积分放大电路中得到待测电流的积分值，将积分后的电信号经过低通滤波器处理后，通过反馈回路将反馈信号输入至第一激励绕组线圈和逻辑判断装置中，其中反馈至逻辑判断装置中的电信号用于判断待测电流的大小，若反馈信号大于所设置的阈值则表示待测电流为大电流，则功率放大电路仍与第一激励绕组及其对应的自激振荡信号发生电路相连接，第一等级信号处理电路继续工作；若反馈信号小于所设置的阈值则表示待测电流为小电流，则逻辑判断装置会控制功率放大电路断开与第一激励绕组及其对应的自激振荡信号发生电路的连接并将功率放大电路与第二激励绕组及其对应的自激振荡信号发生电路相连接，此时第二等级信号处理电路开始工作，从第二激励绕组中采集得到的电信号首先经过差分放大电路消除噪声的影响，再通过多级放大电路对小信号进行放大，放大后的信号经过带通滤波电路得到偶次谐波含量。无论是第一等级信号处理电路还是第二等级信号处理电路，经过滤波器后的信号都会经过数字信号处理电路最终计算得到待测电流的值。

本发明实施例示例性的，所述信号处理装置中的第一等级信号处理电路和第二等级信号处理电路，分别用于较大待测电流和待测小电流的测量，根据待测电流大小的不同，其信号采集和处理流程也有明显的差异；当待测电流为大电流时，第一等级信号处理电路处于工作状态，采集得到的信号首先经过差分稳压电路消除噪声对待测量的干扰，然后经过分压电路进行降压以便作为积分放大电路的输入，最后经过低通滤波电路得到直流分量，最后经过反馈电路反馈到激励绕组线圈和逻辑判断装置，从而形成闭环控制，最终由数字信号处理电路对低通滤波电路的输出信号进行采集并通过计算得到待测电流的值；当待测电流为小电流时，第二等级信号处理电路处于工作状态，采集得到的信号首先经过差分放大电路，既消除了噪声对待测量的干扰，又放大了待测信号以便于后续测量，然后经过带通滤波电路得到采集信号中的偶次谐波，最终由数字信号处理电路对带通滤波电路的输出信号进行采集，并利用待测直流电流与偶次谐波含量之间的关系计算得到待测电流的值。从中可以看出对大电流和小电流分别采用了闭环和开环的信号处理电路，这是因为噪声对不同的待测电流的影响程度不同；对于待测大电流而言，噪声引起的波动相较于待测电流较小，对待测电流的影响程度也较小，因此在差分电路的作用下可以忽略噪声所产生的影响，再经过后续电路的处理反馈至激励绕组线圈内，待磁芯内部的平均磁场强度为零时即可进行测量，采用闭环控制既能够提高系统的稳定性又能够保证一定的测量准确度；对于待测小电流而言，噪声引起的波动相较于待测电流是不可忽略的，因此对采集信号进行了差分和放大处理后，若采用闭环控制将处理后的采集信号反馈至激励绕组线圈则由于噪声的存在且不可忽略仍然无法使得磁芯内部的平均磁场为零，且还会造成采集信号一直处于波动状态从而增大传感器的测量误差，为尽可能提高传感器在测量小电流时的测量准确度，采用开环控制的测量方法对待测小电流进行测量。

本发明实施例中所述的逻辑判断装置和信号处理装置中数字信号处理电路的核心处理芯片可以采用同一个微控制单元，本发明实施例中采用STM32F429IGT6进行逻辑判断和信号处理，该芯片具有三个ADC可分别用于逻辑判断，大电流信号处理和小电流信号处理，并且三个ADC之间相互独立使得本发明的信号处理装置具有自检功能，每一个ADC为12位逐次逼近式数模转换器，分辨率高达2¹²，采样频率最高可达22.5MHz，保证了一定的采样精度。

本发明实施例中磁芯采用的是半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠形成的镂空式圆环结构，采用这种结构的好处是可以对不同范围的待测电流采用不同的信号处理方式，可以提高传感器的整体测量准确度，尤其是在小电流的测量中，该磁芯结构的优点更加明显；当待测电流为小电流时，逻辑判断装置会控制功率放大电路与第二激励绕组线圈及其对应的自激振荡信号发生电路相连接，第二等级信号处理电路处于工作状态，整圆环坡莫合金片和空气交替侧磁芯内的磁通密度大于半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧磁芯内的磁通密度，因此仅需要为第二激励绕组线圈提供较小的激励信号即可满足磁芯周期性饱和的条件，通过激励信号的减小，待测电流引起激励绕组线圈内信号的不对称程度增加，虽然并未从根本上放大待测电流，但增大了采集信号中待测电流影响程度的占比，为后续信号的采集和处理提供了极大的便利，同时也提高了传感器在测量小电流时的测量准确度，除此之外由于整圆环坡莫合金片和空隙交替侧磁芯内部的磁场强度较大，会产生更大的损耗，而由损耗引起的温升也会有所增加，温升的增加又会对磁芯材料的磁导率、饱和磁感应强度等特征参数产生影响，这会对本就难以测量小电流的磁通门电流传感器产生更大的测量误差，而采用了半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠的结构可以有效降低磁芯内部的损耗，在一定程度上抑制了温升，从而进一步提高传感器的测量准确度；磁芯上缠绕有用于测量不同范围待测电流的激励绕组，相较于传统的磁通门电流传感器，在测量范围方面有极大的提高，同时为避免激励绕组之间的相互干扰，两个激励绕组分别有其对应的自激振荡信号发生电路且均处于预连接状态，由逻辑电路根据反馈信号与所设置阈值的大小关系做出判断后将自激振荡信号发生电路通过功率放大电路与其对应的激励绕组线圈相连接，而功率放大电路只有一个，因此在任意时刻都只有一个激励绕组线圈与其对应的自激振荡信号发生电路相连接并处于工作状态，而另一个激励绕组线圈由于未与其对应的自激振荡信号发生电路连接而处于开路状态，其内部不会产生感应电流从而在很大程度上避免了激励绕组线圈之间的互相干扰。

对于传统的磁通门电流传感器，其铁芯结构通常为常见的圆环结构，在对不同范围的待测电流进行测量时传感器的测量准确度也不相同，尤其是当待测电流为小电流时，由于小电流在空间中所产生的磁场强度较弱，磁芯内部由待测电流引起的磁场变化也十分微弱，再加上噪声的干扰会严重影响到磁通门电流传感器的测量准确度，甚至会导致无法测量待测电流，而采用半圆环和整圆环交替堆叠形成的铁芯结构，虽然仍然无法从本质上对待测电流进行放大，但能够降低对激励信号的要求，通过减小激励信号的幅值实现放大待测电流的目的，既提高了传感器的测量准确度，又能够降低传感器的功耗，由于磁感应强度的增强会导致磁芯内部涡流损耗的成倍增加，由损耗引起磁芯的温升会反作用于磁芯，严重时甚至会影响到磁芯的磁导率等特征参数的变化，进一步影响传感器的测量准确度，尤其是在传感器监测避雷器状态而长时间处于工作状态下，对传感器损耗的有效控制能够保证传感器的测量准确度，采用半圆环和整圆环坡莫合金片交替堆叠的铁芯结构能够有效地降低磁通门电流传感器的磁芯损耗，从根本上减小由损耗温升引起的测量误差，且磁芯的基本组成结构为半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片，这使得磁芯便于制作和组装。

在对待测电流的采集和处理过程中，对不同范围内的电流的采集量和测量方法也有所不同；当待测电流较大时，第一等级信号处理电路会处于工作状态，由于待测电流本身较大，可以不采用放大处理，为提高传感器的测量准确度，首先需要进行差分处理以消除噪音的影响，将差分处理后的信号通过分压电路输入至积分放大电路，通过积分电路和低通滤波电路可以将信号中的激励信号滤除，最终只有经过积分处理的待测电流，将积分处理后的待测电流通过反馈电路反馈至激励绕组线圈内部，待电路处于稳定工作状态时，磁芯内部的平均磁感应强度为零；当待测电流为小电流时，第二等级信号处理电路会处于工作状态，由于待测电流本身较小，首先需要进行放大处理，同时为提高传感器的测量准确度，降低传感器的测量误差，首先需要将采集信号经过差分放大处理，将放大后的信号经过带通滤波器进行滤波处理提取出信号中的偶次谐波分量，最后根据偶次谐波和待测电流之间的关系由数字信号处理电路计算得到待测电流的值，需要注意的是在小电流的处理过程中，并没有像待测大电流一样形成闭环通道，这是因为待测电流为小电流时，噪声产生的干扰是不可忽略的，若与待测电流为大电流一样采用闭环控制则很难使电路工作在稳定状态，电路也会一直处于波动状态中，这会导致测量结果不可靠，为保证测量的准确度，采用开环控制的方法用于待测小电流的处理，值得注意的是此时磁芯内部的平均磁场强度不再为零。

本发明实施例所述镂空式结构磁芯的材料为低矫顽力、高磁导率易饱和的1J85坡莫合金，假设磁芯的磁导率为μ(t)，在磁芯周期性饱和过程中，磁芯的磁导率是随时间变化的，半圆环坡莫合金片有n₁片，整圆环坡莫合金片有n₂片，每个坡莫合金片的横截面积为S，厚度为d，磁芯的体积为V，长度为l，电阻率为ρ，第一激励绕组线圈有N₁匝，第二激励绕组线圈有N₂匝。当待测电流为大电流时，缠绕在半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧的第一激励绕组处于工作状态，而第二激励绕组开路无电流通过，假设由待测电流产生的磁场强度为H₀，激励信号所产生的磁场强度为H₁＝H_1mcos(2πf₁t)，其中f₁为激励信号的频率，H_1m为激励信号产生的磁场强度的幅值。在待测电流和激励信号的作用下，半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧磁芯内部的磁场强度为：

H＝H₀+H_1mcos(2πf₁t) (1)

则半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧磁芯内部的磁感应强度为：

B＝μH＝μ(t)·(H₀+H_1mcos(2πf₁t)) (2)

为满足磁芯内部周期性饱和的条件，B的最大值和最小值应能够满足磁芯的正向和负向饱和条件，此时磁芯内部半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠侧的磁通量为：

φ＝(n₁+n₂)BS＝(n₁+n₂)·μ(t)·(H₀+H_1mcos(2πf₁t))S (3)

因此整圆环坡莫合金片和空隙交替侧磁芯内部的磁感应强度B₁有：

B₁＝(n₁+n₂)B/n₂ (4)

由于为满足磁芯周期性饱和的条件且B₁大于B，因此整圆环坡莫合金片与空隙交替侧磁芯内部的磁场过饱和，这会导致磁导率过小从而导致磁芯内部的磁场分布不均匀，但这不会影响对待测大电流的采集和测量。

根据磁场强度可得到激励绕组线圈内部的电流为：

I＝Hl/N₁＝(H₀+H_1mcos(2πf₁t))l/N₁ (5)

从公式中可以看到激励绕组线圈内部的电流的组成部分，经过第一等级电路的处理后将只有直流分量电流信号经过反馈电路反馈至激励绕组线圈内部，待电路处于稳定状态时，激励绕组线圈内部的电流值会变为：

I＝Hl/N₁＝lH_1mcos(2πf₁t)/N₁ (6)

稳定后激励绕组线圈内部的电流不再有直流部分，经过第一等级信号处理电路中的积分放大电路后为零，反馈值也为零，此时可由数字信号处理电路得到待测电流的值，而磁芯内部的平均磁场强度也为零。

当待测电流为小电流时，缠绕在整圆环坡莫合金片和空隙交替侧的第二激励绕组处于工作状态，此时第一激励绕组开路无电流通过，假设由待测电流产生的磁场强度仍然为H₀，激励信号所产生的磁场强度为H₂＝H_2mcos(2πf₂t)，其中f₂为激励信号的频率，H_2m为激励信号产生的磁场强度的幅值。在待测电流和激励信号的作用下，整圆环坡莫合金片和空隙交替侧磁芯内部的磁场强度为：

H＝H₀+H_2mcos(2πf₂t) (7)

此时整圆环坡莫合金片和空隙交替侧磁芯内部的磁感应强度为：

B＝μH＝μ(t)·(H₀+H_2mcos(2πf₂t)) (8)

为满足磁芯周期性饱和的条件，此时B的最大值和最小值应能够满足整圆环坡莫合金片和空隙交替侧磁芯的正向和负向饱和，磁芯内部整圆环坡莫合金片和空隙交替侧的磁通量为：

φ＝n₂BS＝n₂μ(t)·(H₀+H_2mcos(2πf₂t))S (9)

磁芯周期性饱和时，磁导率μ是时间的函数，且随着磁场强度的周期性变化而变化，μ变化的频率是激励信号频率的两倍即2f₂，对其进行傅里叶分解可得：

式中的μ_2imsin(4iπf₂t)表示的是与各次谐波对应的磁导率随时间的关系。

因此在交变磁场的作用下，激励绕组线圈内部产生的感应电动势为：

从激励绕组线圈内部的感应电动势的表达式中可以看出偶次谐波项为

且与待测电流产生的磁场强度有关，当待测电流为零时，激励绕组线圈中的感应电动势只有奇次谐波没有偶次谐波，当待测电流不为零时，激励绕组线圈中会产生偶次谐波分量，通过第二等级信号处理电路提取出感应电动势的偶次谐波含量：

根据偶次谐波感应电动势求得待测电流产生的磁场强度的大小，最后由磁场强度与待测电流之间的正比关系求得待测电流的值，从表达式中可以看出采用本发明中的镂空式结构磁芯是无法放大被测电流的，但可以通过减小激励信号即减小H_2m来提高感应电动势中偶次谐波的比例，从而间接达到比例放大的目的。

在完整的测量过程中，损耗主要来自于磁芯的涡流损耗和磁滞损耗，损耗的大小会直接影响到磁芯的温升，而温升又会影响到磁芯材料的磁导率、饱和磁感应强度等特征参数，增大传感器的测量误差，尤其当待测电流为小电流时测量误差会更大，因此对磁芯损耗的控制是十分必要的，磁芯内部涡流损耗P_w和磁滞损耗P_h的关系式为：

P_w∝(f²d²B_mV)/ρ (13)

根据损耗的关系式可知损耗与激励信号的频率、磁感应强度、磁芯的材料、体积和厚度等因素有关，采用坡莫合金片可以减小磁芯厚度从而降低磁芯内部的涡流损耗，而采用半圆环和整圆环坡莫合金片交替堆叠的磁芯结构能够减小磁芯的体积从而降低涡流和磁滞损耗，抑制了由温升造成的测量误差，提高了传感器的测量准确度。

综上所述，本发明实施例提供了一种低功率消耗、低功率损耗且能够比例放大待测小电流的磁通门电流传感器，该磁通门电流传感器包括：镂空式结构磁芯、逻辑判断装置、激励信号发生装置和信号处理装置；所述磁芯是由半圆环坡莫合金片和整圆环坡莫合金片交替堆叠形成的镂空式圆环结构，其上缠绕有第一、第二激励绕组线圈及对应的信号处理装置，根据待测电流的范围选择性的控制激励绕组线圈和信号处理装置，且不同范围的待测电流所采用的信号处理流程不同，针对大待测电流采用闭环控制，待测小电流采用开环控制。采用该镂空式磁芯结构的目的在于进行小电流的测量时能够提高感应电动势中偶次谐波含量的占比，达到比例放大待测电流和降低传感器功耗的目的，同时能够降低由于整圆环坡莫合金片和空隙交替侧的聚磁带来的过量损耗，减小温升带来的测量误差，进一步提高传感器的测量准确度。

对于所公开的本发明实施例的说明，仅用于说明本发明的所涉技术和执行方案而非限制本文所述的这些实施例。本发明中所阐述的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下应用于其它实施例中，本领域的专业技术人员可以对本发明所述的实施例进行修改或替换，这些修改和替换均在待批的本发明权利要求保护范围内。

Claims (10)

1.一种低功率低损耗比例放大的磁通门电流传感器，其特征在于，包括镂空式结构的磁芯、激励信号发生装置、信号处理装置以及逻辑判断装置，所述磁通门电流传感器工作时，所述逻辑判断装置根据待测电流的大小自动切换测量方案，其中：

所述磁芯是由半径相同但角度不同的半圆环和整圆环交替堆叠形成的镂空式圆环结构，在半圆环和整圆环交替堆叠侧缠绕有用于测量大电流的第一激励绕组，在整圆环与空隙交替侧缠绕有用于测量小电流的第二激励绕组，其中所述半圆环和整圆环之间是电绝缘的；

所述激励信号发生装置包括两个自激振荡信号发生电路，分别对应第一激励绕组以及第二激励绕组；所述激励信号发生装置的输入端与所述逻辑判断装置的输出端连接，输出端与对应的第一激励绕组或第二激励绕组连接；

所述信号处理装置包括两个等级信号处理电路，分别对应第一激励绕组和第二激励绕组，其中，与第一激励绕组对应的等级信号处理电路的输出端与所述逻辑判断装置的输入端以及第一激励绕组连接。

2.根据权利要求1所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述第一激励绕组的匝数大于第二激励绕组的匝数。

3.根据权利要求1所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述半圆环和整圆环的角度相差180°，材料均为高磁导率、低矫顽力的1J85型坡莫合金。

4.根据权利要求1所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述逻辑判断装置根据待测电流的大小自动切换测量方案，包括：

所述逻辑判断装置通过判断待测电流的大小，确定投入工作的激励绕组；利用投入工作的激励绕组对应的等级信号处理电路对投入工作的激励绕组的电压进行测量，得到待测电流的值。

5.根据权利要求4所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述信号处理装置还包括数字信号处理电路；

所述两个等级信号处理电路分别为第一等级信号处理电路以及第二等级信号处理电路，用于对大、小电流的待测电流进行测量；

所述逻辑判断装置通过判断待测电流的大小，确定投入工作的激励绕组；利用投入工作的激励绕组对应的等级信号处理电路对投入工作的激励绕组的电压进行测量，得到待测电流的值，包括：

所述逻辑判断装置控制第一激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路连接；所述第一等级信号处理电路开始工作从第一激励绕组中采集电信号，并将处理后电信号反馈至所述第一激励绕组以及逻辑判断装置中；

所述逻辑判断装置对所述处理后电信号进行判断，若为大电流，则第一激励绕组仍与其对应的自激振荡信号电路连接，第一等级信号处理电路继续工作从第一激励绕组中采集电信号并进行处理；若为小电流，则所述逻辑判断装置控制所述第一激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路断开连接，并控制第二激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路连接；第二等级信号处理电路开始工作从第二激励绕组中采集电信号并进行处理；

将处理后的电信号经过所述数字信号处理电路，得到待测电流的值。

6.根据权利要求5所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述第一等级信号处理电路包括差分稳压电路、分压电路、积分放大电路、低通滤波电路以及双通道反馈电路；

所述第一等级信号处理电路工作时，将从所述第一激励绕组中采集的电信号经过差分稳压电路消除噪声的影响，再经过分压电路后输入到积分放大电路中得到待测电流的积分值，将积分后的电信号经过低通滤波器处理后，将处理后的电信号通过双通道反馈电路分别反馈至所述第一激励绕组和逻辑判断装置中；其中，反馈至第一激励绕组的信号用于抵消待测电流引起的第一激激励绕组中的电信号的偏移，使磁芯内部的平均磁场强度为零；反馈至逻辑判断装置中的信号用于帮助逻辑判断装置判断待测电流的大小，根据待测电流的大小确定投入工作的激励绕组与对应的自激振荡信号发生电路以及信号处理电路连接。

7.根据权利要求5所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述第二等级信号处理电路包括差分放大电路、多级放大电路以及带通滤波电路；

所述第二等级信号处理电路工作时，从第二激励绕组中采集的电信号经过差分放大电路消除噪声的影响，再通过多级放大电路对小信号进行放大，放大后的信号经过带通滤波电路得到偶次谐波含量。

8.根据权利要求5所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述逻辑判断装置包括低功耗MCU和外围信号采集电路；

所述外围信号采集电路采集所述处理后电信号；

所述低功耗MCU将所述外围信号采集电路采集的电信号进行模数转换；根据转换的数值和所述低功耗MCU中设置的阈值判断待测电流的大小：若转换的数值大于所述阈值，则待测电流为大电流，否则待测电流为小电流；

根据判断的待测电流的大小，利用低功耗MCU的输出信号为开关控制信号以实现投入工作的激励绕组与其对应的自激振荡信号发生电路以及信号处理电路连接。

9.根据权利要求1～8任一项所述的磁通门电流传感器，其特征在于，所述激励信号发生装置还包括功率放大电路；

所述两个自激振荡信号发生电路为第一绕组自激振荡信号发生电路和第二绕组自激振荡信号发生电路，分别对应第一激励绕组以及第二激励绕组，均用于产生高频正弦波激励信号；

所述第一绕组自激振荡信号发生电路和第二绕组自激振荡信号发生电路均通过所述功率放大电路与相应的激励绕组连接。

10.一种电流测量方法，其特征在于，使用如权利要求1～9任一项所述的磁通门电流传感器实现导体电流测量。

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