CN116298464A - 组合磁芯式宽频电流传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种组合磁芯式宽频电流传感器，组合磁芯式宽频电流传感器包括围绕被测电流的用于感应被测电流的高频分量的高频单元、用于感应被测电流的低频分量的低频单元以及过渡连接高频单元和低频单元的过渡单元，高频磁芯在被测电流的激励下产生和被测电流高频分量线性相关的高频磁场，高频绕组缠绕在高频磁芯表面以感应出和高频磁场线性相关的高频电压信号；低频磁芯在被测电流的激励下产生和被测电流低频分量线性相关的低频磁场，低频绕组缠绕在低频磁芯表面以感应出和低频磁场线性相关的低频电压信号。通过高频磁芯和低频磁芯的组合式使用，实现高频、低频单元的组合式测量，进而实现脉冲电流的宽频带测量。
Description
技术领域
本发明属于电流传感器技术领域，特别是一种组合磁芯式宽频电流传感器。
背景技术
快速变化的电流脉冲在多个重大科技领域具有重要应用，比如核心电子器件功率半导体测试采用的脉冲电流、大功率强激光功率源能量模块激发的信号电流、装备装置在强脉冲辐射环境中感应的快速变化脉冲电流等。准确测量这些脉冲电流信号是研制高性能脉冲功率装备、探究强脉冲辐射效应的基础，对于基础物理研究和新型技术研发具有重要意义。上述脉冲电流信号的上升沿最快可达纳秒级别，这就要求所采用的电流传感器具有超宽的频率响应特性，工作频带需要从几千赫兹分布到几百兆赫兹。
测量快速变化的脉冲电流信号，通常基于安培定律和法拉第电磁感应定律，绕制多匝线圈，利用其与被测电流的载流导体之间形成互感作用，实现对被测电流的测量，为了提高绕制的线圈和被测电流之间的互感效应，需要将线圈绕制在磁性材料制成的磁芯上面。然而，磁芯的磁导率与激发磁场的频率相关，受限于磁性材料本身的特性，目前的磁芯材料分为两大类，一类在低频段具有良好磁场响应特性，一类在高频段具有良好的磁场响应特性，尚无磁性材料可在几千赫兹到几百兆赫兹范围内具有相同的磁导率系数。磁芯磁导率系数的频率响应不足，也极大限制了电流传感器的频率响应特性，进而导致无法准确测量纳秒级变化的快脉冲电流信号。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种组合磁芯式宽频电流传感器，实现时域快速变化、频率具有超宽频带的电流信号的准确和有效测量。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种组合磁芯式宽频电流传感器包括围绕被测电流的用于感应被测电流的高频分量的高频单元、用于感应被测电流的低频分量的低频单元以及过渡连接高频单元和低频单元的过渡单元，其中，
高频单元包括，
高频磁芯，其在被测电流的激励下产生和被测电流高频分量线性相关的高频磁场；
高频绕组，其缠绕在高频磁芯表面以感应出和所述高频磁场线性相关的高频电压信号；
低频单元包括，
低频磁芯，其在被测电流的激励下产生和被测电流低频分量线性相关的低频磁场；
低频绕组，其缠绕在低频磁芯表面以感应出和所述低频磁场线性相关的低频电压信号；
过渡单元包括，
上部低频过渡磁芯，其连接所述高频磁芯的上端；
下部低频过渡磁芯，其连接所述高频磁芯的下端；
上部高频过渡磁芯，其连接所述低频磁芯的上端；
下部高频过渡磁芯，其连接所述低频磁芯的下端。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述上部低频过渡磁芯在上部磁芯接口处连接所述上部高频过渡磁芯，所述下部低频过渡磁芯在下部磁芯接口处连接所述下部高频过渡磁芯。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述过渡磁芯具有梯度变化的磁导率系数，高频磁芯和上部低频过渡磁芯、下部低频过渡磁芯连接处的磁导率系数相同，低频磁芯和上部高频过渡磁芯、下部高频过渡磁芯连接处的磁导率系数相同，上部低频过渡磁芯与上部高频过渡磁芯在上部磁芯接口处的磁导率系数相同，下部低频过渡磁芯与下部高频过渡磁芯在下部磁芯接口处的磁导率系数相同。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述的高频磁芯、低频磁芯以及过渡磁芯通过上部磁芯接口和下部磁芯接口相接触后形成环形磁芯。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述环形磁芯放置于可分离的环形线圈外壳内部。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述高频绕组和低频绕组下端通过连接线穿过下部磁芯接口进行电学连接，高频绕组的上端通过线圈外壳与宽频接头的接地端相连接，低频绕组上端通过积分电阻单元后与宽频接头的芯子相电学连接。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述积分电阻单元为布置有无感贴片电阻相并联的PCB电路板。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述高频磁芯的下限截至频率和低频磁芯的上限截止频率相等。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，所述高频磁芯的频率响应范围是50MHz到300MHz，其下限截至频率为50MHz，低频磁芯的频率响应范围是10kHz到50MHz，上限截止频率为50MHz。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器中，上部低频过渡磁芯和下部低频过渡磁芯分别与高频磁芯的上部端口和下部端口磁性浇筑连接，上部高频过渡磁芯和下部高频过渡磁芯分别与低频磁芯的上部端口和下部端口磁性浇筑连接。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的组合磁芯式宽频电流传感器针对单一磁性材料磁性频响的不足，通过高频、低频磁芯的有效组合使用，可实现具有超宽频率分布的快速电流脉冲信号测量。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的组合磁芯式宽频电流传感器的结构示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1所示，组合磁芯式宽频电流传感器包括围绕被测电流的用于感应被测电流的高频分量的高频单元、用于感应被测电流的低频分量的低频单元以及过渡连接高频单元和低频单元的过渡单元，其中，
高频单元包括，
高频磁芯1，其在被测电流的激励下产生和被测电流高频分量线性相关的高频磁场；
高频绕组10，其缠绕在高频磁芯1表面以感应出和所述高频磁场线性相关的高频电压信号；
低频单元包括，
低频磁芯2，其在被测电流的激励下产生和被测电流低频分量线性相关的低频磁场；
低频绕组11，其缠绕在低频磁芯2表面以感应出和所述低频磁场线性相关的低频电压信号；
过渡单元包括，
上部低频过渡磁芯4，其连接所述高频磁芯1的上端；
下部低频过渡磁芯7，其连接所述高频磁芯1的下端；
上部高频过渡磁芯5，其连接所述低频磁芯2的上端；
下部高频过渡磁芯8，其连接所述低频磁芯2的下端。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述上部低频过渡磁芯4在上部磁芯接口6处连接所述上部高频过渡磁芯5，所述下部低频过渡磁芯7在下部磁芯接口9处连接所述下部高频过渡磁芯8。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述过渡磁芯具有梯度变化的磁导率系数，高频磁芯1和上部低频过渡磁芯4、下部低频过渡磁芯7连接处的磁导率系数相同，低频磁芯2和上部高频过渡磁芯5、下部高频过渡磁芯8连接处的磁导率系数相同，上部低频过渡磁芯4与上部高频过渡磁芯5在上部磁芯接口6处的磁导率系数相同，下部低频过渡磁芯7与下部高频过渡磁芯8在下部磁芯接口9处的磁导率系数相同。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述的高频磁芯1、低频磁芯2以及过渡磁芯通过上部磁芯接口6和下部磁芯接口9相接触后形成环形磁芯。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述环形磁芯放置于可分离的环形线圈外壳内部。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述高频绕组10和低频绕组11下端通过连接线穿过下部磁芯接口9进行电学连接，高频绕组10的上端通过线圈外壳与宽频接头13的接地端相连接，低频绕组11上端通过积分电阻单元12后与宽频接头13的芯子相电学连接。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述积分电阻单元12为布置有无感贴片电阻相并联的PCB电路板。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述高频磁芯1的下限截至频率和低频磁芯2的上限截止频率相等。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述高频磁芯1的频率响应范围是50MHz到300MHz，其下限截至频率为50MHz，低频磁芯2的频率响应范围是10kHz到50MHz，上限截止频率为50MHz。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，上部低频过渡磁芯4和下部低频过渡磁芯7分别与高频磁芯1的上部端口和下部端口磁性浇筑连接，上部高频过渡磁芯5和下部高频过渡磁芯8分别与低频磁芯2的上部端口和下部端口磁性浇筑连接。
在一个实施例中，如图1所示，一种组合磁芯式宽频电流传感器包括高频单元、低频单元以及过渡单元，高频单元能够有效感应被测电流的高频分量，低频单元能够有效感应被测电流的低频分量，过渡单元实现高频单元和低频单元的过渡连接，通过高频、低频单元的组合式测量，实现脉冲电流的宽频带测量。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述高频单元包括高频绕组10和高频磁芯1，高频磁芯1在高频范围内具有平坦的磁导率响应曲线，高频磁芯1可选用锰锌、镍锌铁氧体等高频的磁性陶瓷材料，高频磁芯1在被测电流的激励下，能够在其内部产生和被测电流高频分量线性相关的高频磁场，高频绕组10缠绕在高频磁芯1表面，感应出和高频磁芯1内部高频磁场线性相关的高频电压信号。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述的低频单元包括低频绕组11和低频磁芯2，低频磁芯2在低频范围内具有平坦的磁导率响应曲线，低频磁芯2可选用坡莫合金或非晶合金等低频磁性材料，在被测电流的激励下，低频磁芯2能够在其内部产生和被测电流低频分量线性相关的低频磁场，低频绕组11缠绕在低频磁芯2表面，感应出和低频磁芯2内部低频磁场线性相关的低频电压信号。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述的过渡单元包括上部低频过渡磁芯4、上部高频过渡磁芯5、下部低频过渡磁芯7以及下部高频过渡磁芯8，上部低频过渡磁芯4和下部低频过渡磁芯7分别与高频磁芯1的上部端口和下部端口磁性浇筑连接，实现高频磁芯1向低频磁芯2的过渡，上部高频过渡磁芯5和下部高频过渡磁芯8分别与低频磁芯2的上部端口和下部端口磁性浇筑连接，实现低频磁芯2向高频磁芯1的过渡。
在一个实施例中，所述的高频磁芯1的频率响应范围是50MHz到300MHz，其下限截至频率为50MHz，低频磁芯2的频率响应范围是10kHz到50MHz，上限截止频率为50MHz，高频磁芯1的下限截止频率和低频磁芯2的上限截止频率相等，高频磁芯1和低频磁芯2的组合使用，可实现10kHz到300MHz的宽频磁场响应。
在一个实施例中，所述的高频绕组10和低频绕组11根据高频磁芯1和低频磁芯2的磁导率系数具有不同的绕制匝数，从而保证高频单元与低频单元具有相同的响应。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述的过渡磁芯具有梯度变化的磁导率系数，高频磁芯1和上部低频过渡磁芯4、下部低频过渡磁芯7连接处的磁导率系数相同，相对磁导率均为4000，低频磁芯2和上部高频过渡磁芯5、下部高频过渡磁芯8连接处的磁导率系数相同，相对磁导率均为10000，上部低频过渡磁芯4与上部高频过渡磁芯5在上部磁芯接口6处的磁导率系数相同，下部低频过渡磁芯7与下部高频过渡磁芯8在下部磁芯接口9处的磁导率系数相同，从而减少磁场由于磁芯分界面处磁导率不连续而引起的畸变和衰减。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述的高频磁芯1、低频磁芯2以及过渡磁芯，通过上部磁芯接口6和下部磁芯接口9相接触后形成环形磁芯，环形磁芯放置于可分离的环形线圈外壳3内部，实现对外部电场干扰影响的屏蔽。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述的高频绕组10和低频绕组11下端通过连接线穿过下部磁芯接口9进行电学连接，高频绕组10的上端通过线圈外壳与宽频接头13的接地端相连接，低频绕组11上端通过积分电阻单元12后与宽频接头13的芯子相电学连接，从而实现高频单元和低频单元检测到的电流信号的串联连接。
所述的组合磁芯式宽频电流传感器的优选实施例中，所述的积分电阻单元12为布置有无感贴片电阻相并联的PCB电路板，共计有8个400Ω的无感贴片电阻相并联，形成50Ω的积分电阻。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，其包括围绕被测电流的用于感应被测电流的高频分量的高频单元、用于感应被测电流的低频分量的低频单元以及过渡连接高频单元和低频单元的过渡单元，其中，
高频单元包括，
高频磁芯，其在被测电流的激励下产生和被测电流高频分量线性相关的高频磁场；
高频绕组，其缠绕在高频磁芯表面以感应出和所述高频磁场线性相关的高频电压信号；
低频单元包括，
低频磁芯，其在被测电流的激励下产生和被测电流低频分量线性相关的低频磁场；
低频绕组，其缠绕在低频磁芯表面以感应出和所述低频磁场线性相关的低频电压信号；
过渡单元包括，
上部低频过渡磁芯，其连接所述高频磁芯的上端；
下部低频过渡磁芯，其连接所述高频磁芯的下端；
上部高频过渡磁芯，其连接所述低频磁芯的上端；
下部高频过渡磁芯，其连接所述低频磁芯的下端。
2.根据权利要求1所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，优选的，所述上部低频过渡磁芯在上部磁芯接口处连接所述上部高频过渡磁芯，所述下部低频过渡磁芯在下部磁芯接口处连接所述下部高频过渡磁芯。
3.根据权利要求2所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，所述过渡磁芯具有梯度变化的磁导率系数，高频磁芯和上部低频过渡磁芯、下部低频过渡磁芯连接处的磁导率系数相同，低频磁芯和上部高频过渡磁芯、下部高频过渡磁芯连接处的磁导率系数相同，上部低频过渡磁芯与上部高频过渡磁芯在上部磁芯接口处的磁导率系数相同，下部低频过渡磁芯与下部高频过渡磁芯在下部磁芯接口处的磁导率系数相同。
4.根据权利要求2所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，所述的高频磁芯、低频磁芯以及过渡磁芯通过上部磁芯接口和下部磁芯接口相接触后形成环形磁芯。
5.根据权利要求4所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，所述环形磁芯放置于可分离的环形线圈外壳内部。
6.根据权利要求2所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，所述高频绕组和低频绕组下端通过连接线穿过下部磁芯接口进行电学连接，高频绕组的上端通过线圈外壳与宽频接头的接地端相连接，低频绕组上端通过积分电阻单元后与宽频接头的芯子相电学连接。
7.根据权利要求6所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，所述积分电阻单元为布置有无感贴片电阻相并联的PCB电路板。
8.根据权利要求1所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，所述高频磁芯的下限截至频率和低频磁芯的上限截止频率相等。
9.根据权利要求1所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，所述高频磁芯的频率响应范围是50MHz到300MHz，其下限截至频率为50MHz，低频磁芯的频率响应范围是10kHz到50MHz，上限截止频率为50MHz。
10.根据权利要求1所述的组合磁芯式宽频电流传感器，其特征在于，上部低频过渡磁芯和下部低频过渡磁芯分别与高频磁芯的上部端口和下部端口磁性浇筑连接，上部高频过渡磁芯和下部高频过渡磁芯分别与低频磁芯的上部端口和下部端口磁性浇筑连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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