CN117031380A - 电流传感器低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低频特性校验电路及其校验方法，涉及电磁测量技术领域。充电电源U_s、快速开关S₁、充电电阻R_S、二极管D和充电电容C依次首尾相连构成充电回路；充电电容C、快速开关S₂和测量电阻R依次首尾相连构成RC放电回路；被测电流传感器串接在RC放电回路上。利用RC充放电形成指数衰减的电流波来校验被测电流传感器的低频段特性。通过一次测量，即可得到被测电流传感器在整个低频段上的传递阻抗参数，从而得到被测电流传感器在低频段连续的幅频特性。

Description

电流传感器低频特性校验电路及其校验方法

技术领域

本发明涉及电磁测量技术领域，具体而言，涉及一种电流传感器低频特性校验电路及其校验方法。

背景技术

作为现代电磁测量领域的重要组成部分，电流测量技术也成为人们日益关注的重点问题。随着科学和技术的发展，人们对电流测量结果的准确性有了更高的要求，同时也对宽频带电流测量有着越来越多的需求。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。进行电流传感器的研究和开发，传感器性能试验和检验是基础，如何准确测量电流传感器的幅频特性成为需要解决的问题。

点频法是校验电流传感器幅频特性的传统测量方法，但当频率过高时，应考虑电路整体分布参数的问题，测量电路中会出现杂散电容、杂散电感，因此传统的点频法仅适用于小电流、低频率的检测。此外，点频法要进行逐点测量，需要测量的频率点多，在不清楚电流传感器特性的情况法无法确定特性突变点所在的频段范围，容易遗漏突变频段区段内的频率点，而在特性恒定的频段内又过度测量。另一种常用方法是使用网络分析仪进行特性校验，但其中测量夹具的结构参数和电流传感器在夹具中的测量点位置，都会对电流传感器的测量结果产生影响。可见，当前对于宽频带电流传感器性能的检验方法还不完善。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种电流传感器低频特性校验电路及其校验方法，其校验结果可靠，获取方式也方便。

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低频特性校验电路，校验电路包括充电电源U_s、快速开关S₁、充电电阻R_S、二极管D、快速开关S₂、测量电阻R和充电电容C；

充电电源U_s、快速开关S₁、充电电阻R_S、二极管D和充电电容C依次首尾相连构成充电回路；充电电容C、快速开关S₂和测量电阻R依次首尾相连构成RC放电回路；

被测电流传感器串接在RC放电回路上。

在可选的实施方式中，校验电路还包括电压传感器，电压传感器连接在测量电阻R的两端，电压传感器用于测量测量电阻R两端电压u₁(t)。

在可选的实施方式中，被测电流传感器串接在快速开关S₂与测量电阻R之间。

在可选的实施方式中，被测电流传感器串接在测量电阻R与充电电容C之间。

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

步骤1：以快速开关S₂动作的时刻为0时刻参考点，在；

步骤2：在t=0时刻，将校验电路换路，将快速开关S₁断开后闭合快速开关S₂，在RC放电回路中产生指数衰减的电流信号；

步骤3：计算出被测电流传感器的幅频特性。

在可选的实施方式中，步骤3包括：

步骤31：求出RC放电回路中的电流；

步骤32：计算出被测电流传感器的传递函数；

步骤33：计算出被测电流传感器的幅频特性。

在可选的实施方式中，在步骤31中，RC放电回路中的电流的计算公式如下：

式中，u₁(t)为测量电阻R两端电压。

在可选的实施方式中，在步骤31中，RC放电回路中的电流的计算公式如下：

。

在可选的实施方式中，在步骤32中，被测电流传感器的传递函数的计算公式如下：

式中，为被测电流传感器两端的电压u(t)的拉普拉斯变换结果，/>为RC放电回路中的电流/>的拉普拉斯变换结果。

在可选的实施方式中，在步骤33中，被测电流传感器的幅频特性的计算公式如下：

式中，为被测电流传感器两端的电压u(t)的频域表示形式，/>为RC放电回路中的电流/>的频域表示形式，j为虚数单位，/>为频率。

本发明实施例提供的电流传感器低频特性校验电路及其校验方法的有益效果包括：

本实施例利用RC充放电形成指数衰减的电流波来校验电流传感器的低频段特性。其中，指数衰减信号包含大量低频分量，将指数衰减电流当作电流传感器的输入信号，测量电流传感器的输出，能够计算出电流传感器的低频段频率特性；通过一次测量，即可得到电流传感器在整个低频段上的传递阻抗参数，从而得到电流传感器在低频段连续的幅频特性。

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为单边衰减指数信号的时域波形；

图2为单边衰减指数信号傅里叶变换后的幅频特性曲线；

图3为典型一阶放电电路；

图4为图3中典型一阶放电电路的放电电流波形；

图5为本实施例提供的电流传感器低频特性校验电路的示意图；

图6为省略电压传感器的校验电路的示意图；

图7为电压探头测量到充电电容C两端的电压U_c；

图8为图7中电压U_c的频谱图；

图9为被测电流的波形；

图10为图9中被测电流的频谱图；

图11为被测电流传感器输出结果为电压信号u(t)；

图12为图11中电压信号u(t)的频谱图；

图13为电流传感器在0~2kHz内的幅频特性。

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。

确定电流传感器的频率特性关键在于准确测量电流传感器的上限截止频率和下限截止频率，在截止频率附近电流传感器的传递性能变化明显。而点频法只能对单个频率点的频率特性进行逐一测量，且测量的频率点之间存在测量间隔，当截止频率极低时，不适合用点频法确定电流传感器的频率特性。为满足截止频率点附近频段的测量要求，需要选择含有大量低频分量的电流信号对电流传感器进行校验。因此，本实施例提出利用指数信号确定电流传感器的下限截止频率的方法。

单边衰减指数信号的时域波形如图1所示，对于任意一个如图1所示的衰减的指数信号的时域波形f（t），其表达式为：

式中，A为指数信号幅值，α为指数信号衰减系数，ε(t)为在t时刻的单位阶跃信号，e为自然常数。

通过傅里叶变换可以求得单边衰减指数信号的幅频特性如图2所示，其中，为频率，从图2可以看出，单边衰减指数信号的频谱较宽，且其中低频分量的幅值较大，高频分量的幅值较小。将单边衰减指数信号作为被测电流，可以通过比较被测电流传感器的测量结果的频谱和实际被测电流的频谱，可以确定被测电流传感器在相应频段上的频率特性。

一阶RC放电回路是产生衰减指数信号的常用电路，图3给出了典型一阶放电电路，图4为图3中典型一阶放电电路的放电电流波形，电路中电容C具有初始储能，经电阻R放电时会在电路中产生指数衰减的电流i(t)，在已知电容C的充电电压u_c后，由下式可以计算得到电路中的实际被测的电流i(t)：

理论上，指数信号包含全部的频率分量，可以用来测量电流传感器全频带的频率特性。但是，从图2中可以看出，指数衰减信号含有的高频分量幅值较小，很多高频分量的幅值接近于零，在求解频率特性时容易出现较大误差，求解结果并不准确。因此，指数衰减信号只有在校验低频段内的幅频特性才较为准确，即只能校验低频特性。根据RC低通滤波电路的特点，可知RC电路的截止频率为：

通过调节电路中电容C和电阻R的大小，可以改变指数信号的频谱特征，例如减小电容C和电阻R的大小，都可以提高指数信号的截止频率，使指数信号中包含更多的有效频率分量。

基于以上分析，请查阅图5，本实施例提供一种电流传感器低频特性校验电路（以下简称：校验电路），其是在图3的典型一阶放电电路的基础上，搭建的用于校验电流传感器频率特性的校验电路。

校验电路包括充电电源U_s、快速开关S₁、充电电阻R_S、二极管D、快速开关S₂、测量电阻R和充电电容C。

其中，充电电源U_s、快速开关S₁、充电电阻R_S、二极管D和充电电容C依次首尾相连构成充电回路；充电电容C、快速开关S₂和测量电阻R依次首尾相连构成RC放电回路。

也就是说，在图5中校验电路的左侧部分构成充电电容C的充电回路，充电电源U_s串接充电电阻R_S用于向充电电容C充电。

在图5中校验电路的右侧部分构成RC放电回路，用于产生指数电流信号，虚线框中为被测电流传感器的简化模型，被测电流传感器串接在快速开关S₂与测量电阻R之间。

本实施例还提供一种电流传感器低频特性校验方法（以下简称：校验方法），校验方法采用上述校验电路，校验方法包括以下步骤：

步骤1：以快速开关S₂动作的时刻为0时刻参考点，在时刻之前，将快速开关S₁闭合、快速开关S₂断开，充电电源U_s经充电电阻R_S向充电电容C充电并达到稳态，此时充电电容C两端的电压即为放电时的充电电压u_c（初始电容电压）。

步骤2：在t=0时刻，将校验电路换路，将快速开关S₁断开后闭合快速开关S₂，在RC放电回路中产生指数衰减的电流信号。

步骤3：计算出被测电流传感器的幅频特性。

首先，求出RC放电回路中的电流。

校验电路整体用以产生指数衰减的电流信号，被测电流传感器用于直接测量回路中的电流，其输出结果为电压信号u(t)，即被测电流传感器两端的电压，电压传感器连接在测量电阻R的两端，如图5中横向箭头所指位置，电压传感器用于测量测量电阻R两端电压u₁(t)。根据下式可以求出RC放电回路中的电流：

另一方面，当初始电容电压u_c、充电电容C和测量电阻R已知时，可以根据充电电压u_c直接计算RC放电回路中的电流，省略电压传感器的校验电路如图6所示，依据充电电压u_c测量结果，计算可得充电电容C放电时的电流/>：

然后，可得被测电流传感器的传递函数：

式中，为电压信号u(t)的拉普拉斯变换结果，/>为RC放电回路中的电流的拉普拉斯变换结果。

最后，计算出被测电流传感器的幅频特性：

式中，为电压信号u(t)的频域表示形式，/>为RC放电回路中的电流/>的频域表示形式，j为虚数单位。

实施例

搭建图5所示的校验电路，检验被测电流传感器的频率特性。实际测量校验电路中充电电容C=6800μF，测量电阻R=10Ω，利用充电电源U_s向充电电容C充电，使充电电容C的充电电压u_c=30V，图7为电压探头测量到充电电容C两端的充电电压u_c，图8为图7中充电电压u_c的频谱图。

根据u_c=30V，C=6800μF，R=10Ω，由此可计算得被测的电流i(t)=3e^-t/0.068，由此也可以得到被测电流的波形（如图9所示）及其频谱图（如图10所示）。

图11为被测电流传感器输出结果为电压信号u(t)，图12为图11中电压信号u(t)的频谱图。根据被测电流i(t)和电流传感器的电压信号u(t)的傅里叶变换结果，可以计算出被测电流传感器在0~2kHz内的幅频特性（如图13所示）。由图13可知，被测电流传感器的传递阻抗值在10mV/A附近波动，下限截止频率在1.2Hz附近，由此得出被测电流传感器的下限截止频率为1.2Hz。由此说明，指数信号法在低频段能够准确测量出被测电流传感器的频率特性，得到被测电流传感器的传递阻抗值和下限截止频率，并且在频率特性变化较快的地方也能准确反映出变化特点。

与点频法相比，指数信号法只需要测量一次指数信号波形就能得到电流传感器在低频段中多个频率点上的频率特性，不需要对每个频率点的响应单独测量记录，指数法的步骤更加简洁，方法更加简单。另一方面，指数信号低频分量的幅值较高，对于电流传感器频率特性变化较快的频段，只要需要测量时采样时间足够长，即可保证频率点间隔足够小，在不确定电流传感器的下限截止频率的情况下也不会因为测量的问题、遗漏相应的数据。此外，该方法的校验电路简单，且在电路参数确定的情况下，不需要增加额外的测量设备即可进行电流传感器低频特性校验，使用简单方便。在检验电流传感器低频段频率特性时，相对于传统点频法而言，指数信号法的结果更可靠，获取方式也更方便。

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 (10)

1.一种电流传感器低频特性校验电路，其特征在于，所述校验电路包括充电电源U_s、快速开关S₁、充电电阻R_S、二极管D、快速开关S₂、测量电阻R和充电电容C；

所述充电电源U_s、所述快速开关S₁、所述充电电阻R_S、所述二极管D和所述充电电容C依次首尾相连构成充电回路；所述充电电容C、所述快速开关S₂和所述测量电阻R依次首尾相连构成RC放电回路；

被测电流传感器串接在所述RC放电回路上。

2.根据权利要求1所述的电流传感器低频特性校验电路，其特征在于，所述校验电路还包括电压传感器，所述电压传感器连接在所述测量电阻R的两端，所述电压传感器用于测量所述测量电阻R两端电压u₁(t)。

3.根据权利要求1所述的电流传感器低频特性校验电路，其特征在于，所述被测电流传感器串接在所述快速开关S₂与所述测量电阻R之间。

4.根据权利要求1所述的电流传感器低频特性校验电路，其特征在于，所述被测电流传感器串接在所述测量电阻R与所述充电电容C之间。

5.一种电流传感器低频特性校验方法，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：

步骤1：以所述快速开关S₂动作的时刻为0时刻参考点，在时刻之前，将所述快速开关S₁闭合、所述快速开关S₂断开，所述充电电源U_s经所述充电电阻R_S向所述充电电容C充电并达到稳态，此时所述充电电容C两端的电压即为放电时的充电电压u_c；

步骤2：在t=0时刻，将所述校验电路换路，将所述快速开关S₁断开后闭合所述快速开关S₂，在所述RC放电回路中产生指数衰减的电流信号；

步骤3：计算出所述被测电流传感器的幅频特性。

6.根据权利要求5所述的电流传感器低频特性校验方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤31：求出RC放电回路中的电流；

步骤32：计算出被测电流传感器的传递函数；

步骤33：计算出被测电流传感器的幅频特性。

7.根据权利要求6所述的电流传感器低频特性校验方法，其特征在于，在步骤31中，RC放电回路中的电流的计算公式如下：

式中，u₁(t)为所述测量电阻R两端电压。

8.根据权利要求6所述的电流传感器低频特性校验方法，其特征在于，在步骤31中，RC放电回路中的电流的计算公式如下：

。

9.根据权利要求6所述的电流传感器低频特性校验方法，其特征在于，在步骤32中，被测电流传感器的传递函数的计算公式如下：

式中，为被测电流传感器两端的电压u(t)的拉普拉斯变换结果，/>为RC放电回路中的电流/>的拉普拉斯变换结果。

10.根据权利要求9所述的电流传感器低频特性校验方法，其特征在于，在步骤33中，被测电流传感器的幅频特性的计算公式如下：

式中，为被测电流传感器两端的电压u(t)的频域表示形式，/>为RC放电回路中的电流/>的频域表示形式，j为虚数单位，/>为频率。