CN117074757A - 一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器。其中，第二金属筒体与第一金属筒体沿第一金属筒体的中心线延伸方向布置，且中心线与第一金属筒体的中心线重合。电阻包括多个，各电阻的第一端均连接在第一金属筒体，第二端均连接在第二金属筒体，各电阻环绕第一金属筒体的中心线布置，且设置在同一个垂直于第一金属筒体的中心线的平面上。电流输入金属连接端子连接在第一金属筒体，且设置在第一金属筒体的中心线上。电压输出金属连接端子连接在第二金属筒体，且设置在第一金属筒体的中心线上。金属连接导体两端分别连接在电阻的第一端和电压输出金属连接端子。本申请的传感器提高了微弱交直流传感器的测量频带宽度和测量准确度。

Description

一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器

技术领域

本申请涉及电流计量领域，尤其涉及一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器。

背景技术

电流测量对于电网运行状态的监测和参数测量有重要意义，随着智能电网的逐步发展，电流测量的需求也随之提升。由于测量对象和应用场景日益复杂多样，待测电流的幅值和频率跨度都很大，以往电流测量技术着手于直流、工频大电流测量，实际在电网运行过程中，除去稳态大电流待测量，还存在很多频率较高，幅值更小的微弱宽频电流待测量。为了适应电网状态量的测量需求，近年来，基于微电子机械系统(Micro Electro MechanicalSystem,MEMS)的MEMS磁敏感传感器由于其具有体积小、功耗低、易集成、可批量化制备、成本低等优点，被广泛应用于电力系统电流状态监测中。但MEMS电流传感器中的磁敏感元件易受到环境中温度、湿度及电磁干扰量的影响，为了保证其在电网系统中电量监测的准确性，需要在投运前及运行过程中对其刻度因数，线性度，温度特性、频带宽度等参数进行标定，此时需要研制宽频带、稳定性优良的宽频微弱交直流标准电流传感器。

以往的交直流标准电流传感器多基于PCB电路板设计，多个电阻器件独立焊接于分离的PCB载流片上，其优势在于分流器整体散热良好，但整个分流器不是同轴结构，每个电阻器在单个PCB板上的电流是一进一出，但整个分流器的结构回路不是同轴结构，传感器回路的整体杂散参数还有待进一步减小。受回路杂散电感参数的影响，其频带宽度受限，最高上限频率一般仅为数kHz，当待测电流的频率进一步提高时，传感器无法准确进行测量。

发明内容

本申请提供一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，能够解决现有微弱交直流传感器频带范围受限的问题。

本申请的实施例提供了一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，包括主体，主体包括第一金属筒体、第二金属筒体、电阻、电流输入金属连接端子、电压输出金属连接端子、金属连接导体。第二金属筒体与第一金属筒体沿第一金属筒体的中心线延伸方向间隔距离布置，第二金属筒体的中心线与第一金属筒体的中心线重合。电阻包括多个，各电阻的第一端均连接在第一金属筒体，第二端均连接在第二金属筒体，各电阻环绕第一金属筒体的中心线间隔距离布置，各电阻均设置在同一个垂直于第一金属筒体的中心线的平面上。电流输入金属连接端子连接在第一金属筒体，电流输入金属连接端子设置在第一金属筒体的中心线上。电压输出金属连接端子连接在第二金属筒体，电压输出金属连接端子设置在第一金属筒体的中心线上。金属连接导体两端分别连接在电阻的第一端和电压输出金属连接端子。

在其中一些实施例中，同轴结构的宽频微弱交直流传感器还包括金属外筒，金属外筒套设在主体的外部，金属外筒的中心线与第一金属筒体的中心线重合。

在其中一些实施例中，金属外筒的第一端具有第一金属封板，第二端具有第二金属封板。电流输入金属连接端子绝缘安装在第一金属封板。电压输出金属连接端子安装在第二金属封板。

在其中一些实施例中，第一金属封板安装有环状绝缘件，环状绝缘件的中心线与第一金属筒体的中心线重合，环状绝缘件的中空处供电流输入金属连接端子安装。

在其中一些实施例中，金属外筒的侧部具有多个散热孔，各散热孔均为沿外筒的中心线延伸方向延伸的条状结构，各散热孔环绕外筒的中心线布置。

在其中一些实施例中，同轴结构的宽频微弱交直流传感器还包括散热器，散热器包括多个，各散热器均设置在第二金属封板，各散热器环绕第一金属筒体的中心线布置。

在其中一些实施例中，第一金属筒体、第二金属筒体和金属外筒的厚度均小于或等于1mm。

在其中一些实施例中，电阻包括金属箔电阻。

在其中一些实施例中，各电阻的阻值误差均小于0.01％，阻值年稳定性均优于10ppm，实际功率均为其标称功率的1/4以下。

在其中一些实施例中，各散热器的总散热功率大于或等于各电阻的总发热功率。

根据本申请实施例提供的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，包括主体，主体包括第一金属筒体、第二金属筒体、电阻、电流输入金属连接端子、电压输出金属连接端子、金属连接导体。第二金属筒体与第一金属筒体沿第一金属筒体的中心线延伸方向间隔距离布置，第二金属筒体的中心线与第一金属筒体的中心线重合。电阻包括多个，各电阻的第一端均连接在第一金属筒体，第二端均连接在第二金属筒体，各电阻环绕第一金属筒体的中心线间隔距离布置，各电阻均设置在同一个垂直于第一金属筒体的中心线的平面上。电流输入金属连接端子连接在第一金属筒体，电流输入金属连接端子设置在第一金属筒体的中心线上。电压输出金属连接端子连接在第二金属筒体，电压输出金属连接端子设置在第一金属筒体的中心线上。金属连接导体两端分别连接在电阻的第一端和电压输出金属连接端子。本申请的同轴结构的宽频微弱交直流传感器，降低了传感器回路杂散电感参数，提高了微弱交直流传感器的测量频带宽度和测量准确度，解决了现有微弱交直流传感器频带范围受限的问题。本申请的宽频微弱交直流传感器可作为标准装置对目前广泛应用的各类微弱交直流磁敏传感器件提供校准技术服务，保证各类在用监测传感器的测量准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。

图1为本申请实施例中宽频微弱交直流传感器的剖视结构示意图；

图2为本申请实施例中散热孔和散热器的分布示意图；

图3为本申请实施例中散热器的分布示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具部实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参阅图1-3，本申请的实施例提供了一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其为一种电流测量装置，包括主体、金属外筒7和散热器8。

主体包括第一金属筒体1、第二金属筒体2、电阻3、电流输入金属连接端子4、电压输出金属连接端子5和金属连接导体6。

第一金属筒体1为圆筒结构。第一金属筒体1由金属铜箔制成，第一金属筒体1的厚度小于或等于1mm，以消除高频电流下趋附效应对传感器宽频测量特性的影响。

第二金属筒体2为圆筒结构。第二金属筒体2与第一金属筒体1的规格相同。第二金属筒体2与第一金属筒体1沿第一金属筒体1的中心线延伸方向间隔距离布置。第二金属筒体2的中心线与第一金属筒体1的中心线重合。第二金属筒体2由金属铜箔制成，第二金属筒体2的厚度小于或等于1mm，以消除高频电流下趋附效应对传感器宽频测量特性的影响。

电阻3的数量为多个。各电阻3的第一端均连接在第一金属筒体1的靠近第二金属筒体2的一端。各电阻3的第二端均连接在第二金属筒体2的靠近第一金属筒体1的一端。上述设置使得各电阻3并联。

各电阻3环绕第一金属筒体1的中心线间隔距离布置。各电阻3均设置在同一个垂直于第一金属筒体1的中心线的平面上。上述平面设置在第一金属筒体1和第二金属筒体2之间。

电阻3为高精度的金属箔电阻。各电阻3的阻值误差均小于0.01％。各电阻3的阻值年稳定性均优于10ppm。尽量增加金属箔电阻的并联个数，保证各电阻3的实际功率均为其标称功率的1/4以下，以减小电阻3的热效应。

传感器内部设置有m个并联的高精度金属箔电阻，传感器的标称阻值为单个电阻3除以m。例如，当待测电流为1A时，电阻3的数量为12个，各电阻3的功率均大于或等于1W，阻值均设计为12Ω。上述条件下，传感器的整体电阻3为1Ω，当传感器测量额定电流1A时，电压输出值为1V。

在传感器组装前，应提前对传感器中所选用的电阻3器件进行阻值测定和特性扫频，以准确确定该交直流传感器的标称阻值和频带范围。例如，选用金属箔电阻时，应对金属箔电阻的频带特性，阻值稳定性进行提前测试，以保证宽频微弱交直流传感器的测量性能。

电阻3器件的电阻值及功率的选择基于微弱交直流传感器的额定电流值、传感器输出电压额定值、单个电阻3器件的功率值综合确定。也就是说，优化选择并联电阻3的阻值、数量及功率，可以设计出不同额定电流、不同功率值的宽频微弱交直流传感器。

电流输入金属连接端子4连接在第一金属筒体1的背离第二金属筒体2的一端。电流输入金属连接端子4设置在第一金属筒体1的中心线上。

电压输出金属连接端子5连接在第二金属筒体2的背离第一金属筒体1的一端。电压输出金属连接端子5设置在第一金属筒体1的中心线上。

金属连接导体6两端分别连接在电阻3的第一端和电压输出金属连接端子5。

金属外筒7套设在主体的外部。金属外筒7的中心线与第一金属筒体1的中心线重合。同时原有交直流传感器结构中并不存在屏蔽金属外壳，当待测环境中存在强烈的电磁干扰时，传感器的测量准确度将大幅降低。上述金属外筒7可作为整个传感器的金属屏蔽外壳，可以良好的屏蔽外界电磁干扰，保证传感器优良的抗干扰性能。

金属外筒7的侧部具有多个散热孔70。散热孔70的数量为8n个，n取1、2、3……。各散热孔70均为矩形散热孔70。各散热孔70均为沿外筒的中心线延伸方向延伸的条状结构。各散热孔70环绕外筒的中心线均匀布置。上述设置优化了传感器的散热效果，减小第一筒体和第二筒体上的电阻3温升，使得宽频微弱交直流传感器能够安全稳定长时运行。

金属外筒7由金属铜箔制成，金属外筒7的厚度小于或等于1mm，使得金属外筒7设计为薄壁结构，以减小第一筒体和第二筒体上的电阻3温升。

金属外筒7的第一端具有第一金属封板。第二端具有第二金属封板10。上述条件下，电流输入金属连接端子4绝缘安装在第一金属封板。具体地，第一金属封板安装有环状绝缘件9，环状绝缘件9的中心线与第一金属筒体的中心线重合，环状绝缘件9的中空处供电流输入金属连接端子4安装。电压输出金属连接端子5安装在第二金属封板10。

上述设置使得宽频微弱交直流传感器整体为同轴结构。其中，电流从第一金属筒体1流入，再流经并联的电阻3后从第二金属筒体2流出，再流入到金属外筒7中，从金属外筒7流出，电流方向参阅图1，电流的流入和流出方向相反，大大减小了传感器的回路杂散电感参数，优化提升了传感器的频带响应宽度，可将宽频微弱交直流传感器的上限频率从100kHz提升至200kHz以上。上述条件下，金属外筒7既可以作为待测电流从传感器流出的承载导体，又作为传感器的金属屏蔽外壳，可以有效抵抗外界电磁干扰，明显提升宽频电流传感器的稳定性。

散热器8的数量为多个，如2n个，n取1、2、3……。各散热器8均设置在第二金属封板10上。各散热器8环绕第一金属筒体1的中心线均匀布置。散热器为散热风扇。上述条件下，2n个散热器8对称分布在第二金属封板10上。相邻两个散热器8之间的结构为第二金属筒体2和金属外筒7之间的电流连接铜片11。上述设置使得散热器8工作时，空气流动方向为从散热器8朝分流器内部流入，再从金属外筒7的散热孔70流出，空气流动方向参阅图2，有效减小传感器内部温升，使得宽频微弱交直流传感器能够安全稳定长时运行。

应根据传感器在额定电流下长期工作时的发热量，优化确定呈环形布置的散热器8的数量及总体散热功率。也就是说，散热器8的整体尺寸和功率选择应该与传感器的外形尺寸及传感器的电阻3发热量相匹配。具体地，根据计算电阻3长期工作时单位时间内的发热量，确定散热器8的散热功率。各散热器8的总散热功率大于或等于各电阻3的总发热功率。

总的来说，本申请的宽频微弱交直流传感器与现有技术相比，能够获得下列有益效果：

(1)采用同轴结构设计，回路测量电流从第一金属筒体1流入，从金属外筒7流出，大大减小回路杂散电感，优化了传感器的频带宽度，可实现电流测量频率从0Hz到200kHz。

(2)传感器第一金属筒体1、第二金属筒体2和金属外筒7均采用薄壁铜组成，可明显削弱测量高频电流时趋附效应，保证传感器良好的阻值稳定性、优化传感器的宽频测量性能。

(3)采用高稳定度的金属箔电阻作为传感器电阻材料，相较于传统的锰铜、康铜材料、传感器具备更加优良的线性度、阻值准确性及稳定性。

(4)在传感器第二封板10上架设散热器8，在传感器金属外筒7上设置均匀分布的散热孔70，两者之间可形成了稳定的散热通道，进一步优化了微弱交直流传感器的阻值稳定性。

(5)采用金属铜箔作为金属外筒7，既可以减小回路电感，也可以提高交直流传感器电磁抗干扰性能，可以显著提高传感器的测量准确性。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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申请和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具部情况理解上述术语的具部含义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，包括主体，所述主体包括：

第一金属筒体；

第二金属筒体，与所述第一金属筒体沿所述第一金属筒体的中心线延伸方向间隔距离布置，所述第二金属筒体的中心线与所述第一金属筒体的中心线重合；

电阻，包括多个，各所述电阻的第一端均连接在所述第一金属筒体，第二端均连接在所述第二金属筒体，各所述电阻环绕所述第一金属筒体的中心线间隔距离布置，各所述电阻均设置在同一个垂直于所述第一金属筒体的中心线的平面上；

电流输入金属连接端子，连接在所述第一金属筒体，所述电流输入金属连接端子设置在所述第一金属筒体的中心线上；

电压输出金属连接端子，连接在所述第二金属筒体，所述电压输出金属连接端子设置在所述第一金属筒体的中心线上；

金属连接导体，两端分别连接在所述电阻的第一端和所述电压输出金属连接端子。

2.如权利要求1所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，还包括：

金属外筒，套设在所述主体的外部，所述金属外筒的中心线与所述第一金属筒体的中心线重合。

3.如权利要求2所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，

所述金属外筒的第一端具有第一金属封板，第二端具有第二金属封板；

所述电流输入金属连接端子绝缘安装在所述第一金属封板；

所述电压输出金属连接端子安装在所述第二金属封板。

4.如权利要求3所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，

所述第一金属封板安装有环状绝缘件，所述环状绝缘件的中心线与所述第一金属筒体的中心线重合，所述环状绝缘件的中空处供所述电流输入金属连接端子安装。

5.如权利要求3所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，

所述金属外筒的侧部具有多个散热孔，各所述散热孔均为沿所述外筒的中心线延伸方向延伸的条状结构，各所述散热孔环绕所述外筒的中心线布置。

6.如权利要求3所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，还包括：

散热器，包括多个，各所述散热器均设置在所述第二金属封板，各所述散热器环绕所述第一金属筒体的中心线布置。

7.如权利要求2所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，

所述第一金属筒体、所述第二金属筒体和所述金属外筒的厚度均小于或等于1mm。

8.如权利要求1所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，

所述电阻包括金属箔电阻。

9.如权利要求1所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，

各所述电阻的阻值误差均小于0.01％，阻值年稳定性均优于10ppm，实际功率均为其标称功率的1/4以下。

10.如权利要求6所述的一种同轴结构的宽频微弱交直流传感器，其特征在于，

各所述散热器的总散热功率大于或等于各所述电阻的总发热功率。