CN115808554A - 一种大电流磁通门传感器精确测量小电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电流传感器领域，尤其涉及一种大电流磁通门传感器精确测量小电流的方法，传感器包括大电流检测系统、小电流检测系统、磁芯T3及MCU模块，磁芯T3为屏蔽磁芯并用于磁屏蔽，小电流检测系统和大电流检测系统均与磁芯T3配合，且MCU模块用于小电流检测系统和大电流检测系统的电流采样及输出；与现有技术相比，本发明的有效效果为在传统闭环磁通门传感器中增加了一个低感量的小电流检测系统，其构成独立的两套磁通门检测系统，大电流使用闭环磁通门检测，小电流使用开环磁通门检测；大、小电流检测系统可自动切换大小量程，无需手动选择；在不改变大电流传感器量程的前提下，可以精确测量原本无法测量uA级和mA级的小电流信号。
Description
技术领域
本发明涉及电流传感器领域，更具体地说，它涉及一种大电流磁通门传感器精确测量小电流的方法。
背景技术
目前市面上的电流传感器对于大电流的高精度检测，基本使用的都是闭环磁通门方案，其具有高精度、低温漂、低噪声、对原边电流干扰小的优点。
但一般几百安培量程的传感器，最小分辨率一般都在10mA以上，在某些电流变化级数特别大的应用中，无法准确测量10mA以下甚至uA级别的电流。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种解决上述技术问题的大电流磁通门传感器精确测量小电流方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种大电流磁通门传感器精确测量小电流的方法，传感器包括大电流检测系统、小电流检测系统、磁芯T3及MCU模块，磁芯T3为屏蔽磁芯并用于磁屏蔽，小电流检测系统和大电流检测系统均与磁芯T3配合，且MCU模块用于小电流检测系统和大电流检测系统的电流采样及输出；
大电流检测系统使用闭环磁通门检测，大电流检测系统包括磁芯T1、磁芯T2、绕组N1、绕组N2、互感线圈N3、补偿线圈N4、电阻R2、大电流磁通检测模块，
绕组N1、绕组N2分别是磁芯T1、磁芯T2上的绕组，磁芯T1和磁芯T2用于感应原边电流Ip的直流信号，且绕组N1和绕组N2反向串联以抵消振荡对原边电流Ip的干扰，互感线圈N3用于检出原边Ip的交流信号，补偿线圈N4用于输出补偿电流，
绕组N1和绕组N2分别与大电流磁通检测模块连接，大电流磁通检测模块与MCU模块连接；
小电流检测系统使用开环磁通门检测，小电流检测系统包括线圈N5、磁芯T4、电阻R1、小电流磁通检测模块，小电流磁通检测模块与线圈N5和MCU模块连接，线圈N5是磁芯T4的绕组并用于检测小电流信号，电阻R1用于改变小电流的量程范围。
进一步的，当原边电流较小时，绕组N1和绕组N2无法有效检测，大电流零磁通检模块无响应，MCU模块无法收到有效信号，N4补偿线圈无电流通过；此时线圈N5正常工作，将小电流信号发送给MCU模块，MCU模块输出对应电流值。
进一步的，当原边电流增加到绕组N1和绕组N2能感应的程度时，MCU模块收到大电流型信号，并驱动后端补偿电路，补偿线圈N4中流过补偿电流，此时停止对小电流磁通检测系统的采样，MCU模块采样R2的电压U2，通过I2=U2/R2换算出补偿电流值，输出对应原边电流值。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.在传统闭环磁通门传感器中增加了一个低感量的小电流检测系统，其构成独立的两套磁通门检测系统，大电流使用闭环磁通门检测，小电流使用开环磁通门检测；
2、大、小电流检测系统可自动切换大小量程，无需手动选择；
3、在不改变大电流传感器量程的前提下，可以精确测量原本无法测量uA级和mA级的小电流信号；
4、理论上大电流的测量精度可以达到万分之一以内，小电流的测量精度可以达到千分之一以内。
附图说明
图1为传统闭环磁通门电流传感器的电流测量电路示意图。
图2为本发明磁通门电流传感器的电流测量电路示意图。
图3为大电流磁通检测模块的电路示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，传统闭环磁通门电流传感器只具有一个电流检测系统，该检测系统由4个绕组、3个磁芯及1个磁通检测模块组成，N1、N2分别是磁芯T1、T2上的绕组，这两个磁芯用于感应原边电流Ip的直流信号，且绕组N1、N2两者反向串联以抵消振荡对原边电流Ip的干扰；N3为互感线圈，用于检出原边Ip的交流信号；N4为补偿线圈，用于输出补偿电流；T3为屏蔽磁芯用于磁屏蔽，避免内外部的干扰。
本发明则在原有的电流检测系统（大电流检测系统）的基础上，又增加了一个小电流检测系统及MCU模块，小电流检测系统则包括一个N5绕组、T4磁芯和一个小电流磁通检测模块；绕组N5是磁芯T4的绕组，用于检测小电流信号；通过磁芯材料的选择和绕组匝数的减少，降低该磁芯的感量，以便能更灵敏的感应到微弱电流磁场的变化；同时通过调整R1的阻值，可以改变小电流的量程范围，覆盖大电流检测最小分辨率无法达到的范围，可以精确测量uA级到mA级的小电流。
当原边电流较小时，绕组N1和N2无法有效检测，大电流磁通检测模块无响应，MCU模块无法收到有效信号，N4补偿线圈无电流通过；此时绕组N5正常工作，将小电流信号发送给MCU模块，MCU模块输出对应电流值。
当原边电流增加到绕组N1、N2能感应的程度时，MCU模块收到大电流型信号，驱动后端补偿电路，绕组N4中流过补偿电流，此时停止对小电流磁通检系统的采样，MCU模块采样R2的电压U2，通过I2=U2/R2换算出补偿电流值，输出对应原边电流值。
结合图3，对大电流磁通检测模块的工作原理进行说明：
①.当运放比较器A2输出高电平时，磁芯T1的固定电压为电阻R7上的分压，而绕组N2此时作为一个电感开始充电，磁芯T2的电压较低，磁芯T1电压大于磁芯T2，比较器A1输出仍为高电平；
②.当绕组N2充电完成时，感抗降低，近似短路，磁芯T2的电压瞬间抬高，超过磁芯T1，此时比较器A1输出反转为低电平；
③.重复上述①、②过程，可以使运放比较器A1连续输出方波，对绕组N2连续充放电，线圈产生振荡；
④.零磁通时，振荡的占空比为50%；当通过电流，磁通量变化时，会使占空比增加或减少；
⑤.绕组N1与绕组N2同名端相反，产生相反的振荡波形，可以相互抵消减小对外部的辐射干扰；
同理，大电流磁通检测模块与小电流磁通检测模块原理相同，只是小电流检测时使用低感量磁芯，对小电流产生的小磁场感应更加灵敏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行通常的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种大电流磁通门传感器精确测量小电流的方法，其特征在于，传感器包括大电流检测系统、小电流检测系统、磁芯T3及MCU模块，磁芯T3为屏蔽磁芯并用于磁屏蔽，小电流检测系统和大电流检测系统均与磁芯T3配合，且MCU模块用于小电流检测系统和大电流检测系统的电流采样及输出；
大电流检测系统使用闭环磁通门检测，大电流检测系统包括磁芯T1、磁芯T2、绕组N1、绕组N2、互感线圈N3、补偿线圈N4、电阻R2、大电流磁通检测模块，
绕组N1、绕组N2分别是磁芯T1、磁芯T2上的绕组，磁芯T1和磁芯T2用于感应原边电流Ip的直流信号，且绕组N1和绕组N2反向串联以抵消振荡对原边电流Ip的干扰，互感线圈N3用于检出原边Ip的交流信号，补偿线圈N4用于输出补偿电流，
绕组N1和绕组N2分别与大电流磁通检测模块连接，大电流磁通检测模块与MCU模块连接；
小电流检测系统使用开环磁通门检测，小电流检测系统包括线圈N5、磁芯T4、电阻R1、小电流磁通检测模块，小电流磁通检测模块与线圈N5和MCU模块连接，线圈N5是磁芯T4的绕组并用于检测小电流信号，电阻R1用于改变小电流的量程范围。
2.根据权利要求1所述的一种大电流磁通门传感器精确测量小电流的方法，其特征在于，当原边电流较小时，绕组N1和绕组N2无法有效检测，大电流零磁通检模块无响应，MCU模块无法收到有效信号，补偿线圈N4无电流通过；此时线圈N5正常工作，将小电流信号发送给MCU模块，MCU模块输出对应电流值。
3.根据权利要求2所述的一种大电流磁通门传感器精确测量小电流的方法，其特征在于，当原边电流增加到绕组N1和绕组N2能感应的程度时，MCU模块收到大电流型信号，并驱动后端补偿电路，补偿线圈N4中流过补偿电流，此时停止对小电流磁通检测系统的采样，MCU模块采样R2的电压U2，通过I2=U2/R2换算出补偿电流值，输出对应原边电流值。
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2022
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