CN117031379B - 电流传感器高频特性校验电路及其校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种电流传感器高频特性校验电路及其校验方法，涉及传感器试验校验技术领域。校验电路包括电源、电阻、电缆、电压传感器和开关；电缆的首端通过电阻连接到电源上，电缆的末端连接电压传感器、开关以及被试电流传感器，其中，电压传感器用于测量电缆的电压，被试电流传感器用于测量电缆的电流；其中，开关为放电间隙结构，放电间隙结构包括宽度可调的放电间隙。该校验电路及其校验方法通过对一次测量，即可得到被试电流传感器在整个频段上的传递阻抗，从而得到被试电流传感器连续的幅频特性。

Description

电流传感器高频特性校验电路及其校验方法

技术领域

本发明涉及传感器试验校验技术领域，具体而言，涉及一种电流传感器高频特性校验电路及其校验方法。

背景技术

电流传感器的频率特性能够反映其性能的好坏，其中，传递阻抗和频带宽度是电流传感器的两个重要参数，传递阻抗越大，电流传感器的灵敏度越高，测量频带越宽，测量结果越精确。如何准确测量电流传感器在高频段的幅频特性成为传感器研制和使用过程中需要解决的问题。

传统电流传感器的频带特性校验方法大致可分为两类：其一是基于一个高性能参考测量系统，参考测量系统的测量频带足够宽，将被检验传感器的测量结果和参考测量系统的测量结果进行比较，获得被检验传感器的频率特性；其二是基于一个已知参数的电流源，对被检测传感器进行试验，将测量获得的电流参数和电流源的已知参数进行比较，获得被检验传感器的频率特性。这些方法均要么需要一个高性能的参考系统，而参考系统自身的频率特性校验也存在难题；要么需要一个高性能宽频带大功率电源，实施成本较高，操作不便。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种电流传感器高频特性校验电路及其校验方法，其能够通过一次测量，即可得到被试电流传感器在整个频段上的传递阻抗，从而得到被试电流传感器连续的幅频特性。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种电流传感器高频特性校验电路，校验电路包括电源、电阻、电缆、电压传感器和开关；

电缆的首端通过电阻连接到电源上，电缆的末端连接电压传感器、开关以及被试电流传感器，其中，电压传感器用于测量电缆的电压，被试电流传感器用于测量电缆的电流；

其中，开关为放电间隙结构，放电间隙结构包括宽度可调的放电间隙。

在可选的实施方式中，电缆包括从内至外依次包覆设置的电缆芯、电缆绝缘层、电缆屏蔽层和外护套。

在可选的实施方式中，校验电路还包括铝合金屏蔽罩，电缆的末端、电压传感器和被试电流传感器均设置在铝合金屏蔽罩内。

在可选的实施方式中，电压传感器包括电压感应电极和电压信号电缆头，电压感应电极与铝合金屏蔽罩绝缘设置，电压感应电极、铝合金屏蔽罩和电缆芯构成分压电容，电压信号电缆头用于输出电缆末端处电缆芯上的电压。

在可选的实施方式中，放电间隙结构的一端与铝合金屏蔽罩连接，铝合金屏蔽罩与电缆屏蔽层连接件并接地，放电间隙结构的另一端与电缆芯的末端连接。

在可选的实施方式中，电缆芯从被试电流传感器中间的圆孔穿过，被试电流传感器的输出信号通过电流电缆头输出。

在可选的实施方式中，电压传感器为经过校验、且频带大于100MHz的传感器。

第二方面，本发明提供一种电流传感器高频特性校验方法，校验方法采用前述实施方式的校验电路，校验方法包括：

S1：利用电源对电缆充电，使放电间隙击穿，在电缆中产生阶跃电压波和阶跃电流波；

S2：利用电压传感器测量电缆末端的阶跃电压波u₀(t)，计算得到电缆中的阶跃电流波i₀(t)；

S3：获得被试电流传感器的测量信号u₁(t)；

S4：对阶跃电流波i₀(t)和测量信号u₁(t)分别进行傅里叶变换，获得阶跃电流波i₀(t)的频谱I(ω)和测量信号u₁(t)的频谱U(ω)；

S5：计算得到被试电流传感器高频特性H(ω)=U(ω)/I(ω)。

在可选的实施方式中，在S4之前，校验方法还包括：

截取阶跃电流波i₀(t)和测量信号u₁(t)的第一个上升沿至第一个下降沿之间的部分或第一个下降沿至第一个上升沿之间的部分；

利用指数衰减信号对截取后的信号拓展至信号衰减为零。

本发明实施例提供的电流传感器高频特性校验电路及其校验方法的有益效果包括：

本发明实施例提出基于电压行波产生的阶跃电流信号校验电流传感器的频率特性的方法。阶跃信号包含大量高频分量的信号，将阶跃电流当作被试电流传感器的输入信号，测量获得被试电流传感器的输出信号，能够计算出被试电流传感器的频率特性；通过对一次测量，即可得到被试电流传感器在整个频段上的传递阻抗，从而得到被试电流传感器连续的幅频特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为阶跃信号的波形图。

图2为图1中阶跃信号的频谱图。

图3为基于阶跃波检验电流传感器的基本原理。

图4为传输线产生波过程的电路原理图。

图5为开关S闭合后传输线l上沿线电流分布图。

图6为传输线l末端处电流随时间的变化关系图。

图7为本发明实施例提供的电流传感器高频特性校验电路的结构示意图。

图8为图7中电缆首端的结构示意图。

图9为图7中电缆末端的结构示意图。

图10为本发明实施例提供的电流传感器高频特性校验方法的流程图。

图11为被试电流传感器的输出信号的波形图。

图12为被试电流传感器的测量信号的波形图。

图13为图12中测量信号的频谱图。

图14为电压传感器测量电缆末端的阶跃电压波的波形图。

图15为图14中阶跃电压波的频谱图。

图16和图17为信号截取和拓展示意图。

图18为被试电流传感器在高频段的频率特性。

图标：01-主电路；02-电流传感器；03-示波器；100-电流传感器高频特性校验电路；1-电源；2-电阻；3-电缆；31-电缆芯；32-电缆绝缘层；33-电缆屏蔽层；34-外护套；4-电压传感器；41-电压感应电极；5-电压信号电缆头；6-放电间隙结构；7-铝合金屏蔽罩；8-被试电流传感器；9-电流电缆头；10-调整螺杆。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请查阅图1和图2，阶跃信号ε(t)可以看作冲激信号δ(t)的积分，即：

根据傅里叶变换的时域积分特性，可得：

阶跃信号ε(t)在0时刻处存在跳变，时域波形的剧烈变化，频域｜F（ω）｜中包含大量的高频分量。因此，可以利用阶跃信号来校验电流传感器在高频段的频率特性。

图3所示为基于阶跃波检验电流传感器的基本原理，请参考图3，用主电路01产生阶跃电流波i(t)，用电流传感器02测量主电路01产生的电流，得到的输出结果为u(t)，并用示波器03进行展示；将i(t)当作输入信号，u(t)当作输出信号，对二者进行傅里叶变换，计算输出信号和输入信号/>的比值，即得到电流传感器02的频率特性/>。

式中，为电流传感器02的电压，/>为电流传感器02的电流。

基于图3所示的基本原理，请查阅图4，本实施例设计了对应的基本电路，基本电路包括传输线l、电压源Us、保护电阻Rs和开关S，传输线l的首端通过保护电阻Rs接于电压源Us，传输线l的末端连接开关S；利用电压源Us通过保护电阻Rs向传输线l充电；待充电完成后，传输线l上的电压稳定于电源电压U₀；随后，将开关S闭合，传输线l末端接地；传输线l末端产生一个与电源电压U₀幅值相等、方向相反的反向电压行波；在反向电压行波作用下，传输线l上出现相应的幅值大小为I₀的电流波，且有：

其中，Z_C为传输线l的特性阻抗。

开关S闭合后，传输线l上会出现波过程。开关S闭合后传输线l上沿线电流分布如图5所示，传输线l末端处电流随时间的变化关系如图6所示。此时，传输线l末端处的电流可看作阶跃电流信号。该阶跃电流信号包含有丰富的高频分量，可当作测量信号用于检验电流传感器的频率特性。

基于图4的电路原理，请查阅图7，本实施例提供了一种电流传感器高频特性校验电路100（以下简称：校验电路），校验电路包括电源1、电阻2、电缆3、电压传感器4和开关。

电缆3的首端通过电阻2连接到电源1上，电缆3的末端连接电压传感器4、开关以及被试电流传感器8，其中，利用均匀的电缆3的波过程来产生阶跃电流波，电压传感器4用于测量电缆3的电压，被试电流传感器8用于测量电缆3的电流。

其中，电源1为高压直流电源，并且利用升压变压器和整流硅堆得到高压直流电源。电阻2为高压电阻，高压直流电源通过高压电阻向电缆3充电。

由于传统机械开关的动作时限较长，不能满足瞬时动作的要求，无法实现电信号瞬时突变，难以产生满足要求的具有高陡度的阶跃信号。为了得到更接近理想阶跃信号的电流波形，本实施例采用放电间隙结构6作为开关，放电间隙结构6包括宽度可调的放电间隙，放电间隙内充入SF6气体，即当放电气隙被击穿时放电气隙两端导通，相当于开关闭合。由于放电气隙击穿过程较短，能够实现放电气隙两端快速导通。

请查阅图8和图9，电缆3包括从内至外依次包覆设置的电缆芯31、电缆绝缘层32、电缆屏蔽层33和外护套34。校验电路还包括铝合金屏蔽罩7，电缆3的末端、电压传感器4和被试电流传感器8均设置在铝合金屏蔽罩7内。

电压传感器4为经过校验、且频带大于100MHz的传感器。电压传感器4包括电压感应电极41和电压信号电缆头5，电压感应电极41与铝合金屏蔽罩7绝缘设置，电压感应电极41、铝合金屏蔽罩7和电缆芯31构成分压电容，电压信号电缆头5用于输出电缆3末端处电缆芯31上的电压。

放电间隙结构6的一端与铝合金屏蔽罩7连接，铝合金屏蔽罩7与电缆屏蔽层33连接件并接地，放电间隙结构6的另一端与电缆芯31的末端连接。放电间隙结构6的间隙宽度可通过调整螺杆10进行调节，从而调节气隙击穿电压。

电缆芯31从被试电流传感器8中间的圆孔穿过，被试电流传感器8的输出信号通过电流电缆头9输出。

请查阅图10，本实施例还提供一种电流传感器高频特性校验方法（以下简称：校验方法），校验方法采用前述实施方式的校验电路，校验方法包括：

S1：利用电源1对电缆3充电，使放电间隙击穿，在电缆3中产生阶跃电压波和阶跃电流波。

具体的，在被试电流传感器8的频率特性校验过程中，当电缆3上充电电压足够高时，电缆3末端的放电间隙将被击穿。在放电间隙击穿前充电完成，电路达到稳态，电缆3上的电压等于电源1电压，电流为零。放电间隙击穿后，电缆3的末端出现反向电压行波，在电缆3中产生电流行波，在电流波的第一次行进过程中，线路末端的电流可看作的单位阶跃信号。

S2：利用电压传感器4测量电缆3末端的阶跃电压波u₀(t)，计算得到电缆3中的阶跃电流波i₀(t)。

具体的，根据电压传感器4的测量结果可以获得放电间隙击穿后，电缆3末端的阶跃电压波u₀(t)，进一步计算出电缆3中的阶跃电流波i₀(t)：

其中，Z为电缆3的特性阻抗。

S3：获得被试电流传感器8的测量信号u₁(t)。

利用电缆3中的阶跃电流波i₀(t)，即可获得被试电流传感器8的测量信号u₁(t)。

具体的，被试电流传感器8的测量信号u₁(t)=i₀(t)×R₁，其中，R₁为被试电流传感器8的电阻。

S4：对阶跃电流波i₀(t)和测量信号u₁(t)分别进行傅里叶变换，获得阶跃电流波i₀(t)的频谱I(ω)和测量信号u₁(t)的频谱U(ω)。

在实际测量结果中，放电间隙击穿需要一定的时间（约为几纳秒至十几纳秒），信号的跳变并不是瞬时完成的，而是存在一段上升时间，所得到的信号并非理想阶跃信号。对于图11所示的存在上升沿的信号，定义其上升时间t_r为从信号最大值的10%上升到信号最大值的90%所需的时间，则由此可以得到上升信号中所包含的频率分量的上限截止频率为：

放电间隙击穿后，被试电流传感器8的测量信号u₁(t)如图12所示，测量信号u₁(t)的频谱如图13所示，电压传感器4测量电缆3末端的阶跃电压波u₀(t)如图14所示，阶跃电压波u₀(t)的频谱如图15所示。利用电压传感器4测量得到的结果计算得到电路中的实际电流信号，则可计算得到其上升时间为3.4ns，进一步依据上限截止频率的计算公式可知，该信号中包含的频率分量上限为103MHz。

请查阅图16，截取被试电流传感器8的阶跃电流波i₀(t)的第一个上升沿至第一个下降沿之间的部分（包含第一个上升沿但不包含第一个下降沿），请查阅图17，截取计算得到的实际电流信号的第一个下降沿至第一个上升沿之间的部分（包含第一个下降沿但不包含第一个上升沿）；并利用指数衰减信号将截取后的信号波形拓展至信号衰减为零，对截取并拓展后的信号进行傅里叶变换，得到相应信号的频谱图。

S5：计算得到被试电流传感器8高频特性H(ω)=U(ω)/I(ω)。

利用被试电流传感器8高频特性H(ω)的计算公式，可以得到被试电流传感器8在高频段的频率特性，其结果如图18所示。由图17可知，被试电流传感器8在高频段的频率特性在10MHz之后开始出现明显的下降，其-3dB截止频率现在33MHz附近处，由此得到了被试电流传感器8在高频段的特性曲线以及高频截止频率。

本实施例提供的电流传感器高频特性校验电路100及其校验方法的有益效果包括：

利用本实施例提出的校验电路及其校验方法进行被试电流传感器8的高频特性校验，电路原理简单，测量方便，仅通过一次测量，在测量一个波形的情况下即可通过求解得到多个频率点的响应，不需要重复试验对不同的频率点进行测量，能够准确反映被试电流传感器8在频率特性变化较快的频段上的特点。在测量回路中引入测量频带宽于被试电流传感器8的电压传感器4，用于测量电缆3上的电压波，根据电压波和电缆3的特性阻抗求解电缆3上电流波的大小，并将求解结果当作被试电流传感器8的输入信号，用于计算被试电流传感器8的频率特性，避免了高频下，测量电路杂散电容、杂散电感对测量结果的影响，使校验结果更准确。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电流传感器高频特性校验电路，其特征在于，所述校验电路包括电源（1）、电阻（2）、电缆（3）、电压传感器（4）和开关；

所述电缆（3）的首端通过所述电阻（2）连接到所述电源（1）上，所述电缆（3）的末端连接所述电压传感器（4）、所述开关以及被试电流传感器（8），其中，所述电压传感器（4）用于测量所述电缆（3）的电压，所述被试电流传感器（8）用于测量所述电缆（3）的电流；

其中，所述开关为放电间隙结构（6），所述放电间隙结构（6）包括宽度可调的放电间隙；

所述电缆（3）包括从内至外依次包覆设置的电缆芯（31）、电缆绝缘层（32）、电缆屏蔽层（33）和外护套（34）；

所述校验电路还包括铝合金屏蔽罩（7），所述电缆（3）的末端、所述电压传感器（4）和所述被试电流传感器（8）均设置在所述铝合金屏蔽罩（7）内；

所述放电间隙结构（6）的一端与所述铝合金屏蔽罩（7）连接，所述铝合金屏蔽罩（7）与所述电缆屏蔽层（33）连接件并接地，所述放电间隙结构（6）的另一端与所述电缆芯（31）的末端连接，所述电缆（3）的末端连接所述开关的另一端，所述开关的一端接地。

2.根据权利要求1所述的电流传感器高频特性校验电路，其特征在于，所述电压传感器（4）包括电压感应电极（41）和电压信号电缆头（5），所述电压感应电极（41）与所述铝合金屏蔽罩（7）绝缘设置，所述电压感应电极（41）、所述铝合金屏蔽罩（7）和所述电缆芯（31）构成分压电容，所述电压信号电缆头（5）用于输出所述电缆（3）末端处所述电缆芯（31）上的电压。

3.根据权利要求1所述的电流传感器高频特性校验电路，其特征在于，所述电缆芯（31）从所述被试电流传感器（8）中间的圆孔穿过，所述被试电流传感器（8）的输出信号通过电流电缆头（9）输出。

4.根据权利要求1所述的电流传感器高频特性校验电路，其特征在于，所述电压传感器（4）为经过校验、且频带大于100MHz的传感器。

5.一种电流传感器高频特性校验方法，其特征在于，所述校验方法采用权利要求1所述的校验电路，所述校验方法包括：

S1：利用所述电源（1）对所述电缆（3）充电，使所述放电间隙击穿，在所述电缆（3）中产生阶跃电压波和阶跃电流波；

S2：利用所述电压传感器（4）测量所述电缆（3）末端的阶跃电压波u₀(t)，计算得到所述电缆（3）中的阶跃电流波i₀(t)；

S3：获得所述被试电流传感器（8）的测量信号u₁(t)；

S4：对阶跃电流波i₀(t)和测量信号u₁(t)分别进行傅里叶变换，获得阶跃电流波i₀(t)的频谱I(ω)和测量信号u₁(t)的频谱U(ω)；

S5：计算得到所述被试电流传感器（8）高频特性H(ω)=U(ω)/I(ω)。

6.根据权利要求5所述的电流传感器高频特性校验方法，其特征在于，在S4之前，所述校验方法还包括：

截取阶跃电流波i₀(t)和测量信号u₁(t)的第一个上升沿至第一个下降沿之间的部分或第一个下降沿至第一个上升沿之间的部分；

利用指数衰减信号对截取后的信号拓展至信号衰减为零。