CN201754160U - 非晶玻璃包裹丝磁敏探头及包含该探头的电流测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及非晶玻璃包裹丝磁敏探头及包含该探头的电流测量装置，该非晶玻璃包裹丝磁敏探头由感应部件和采样部件组成，其中感应部件为非晶玻璃包裹丝，采样部件由设置在非晶玻璃包裹丝外围的采样线圈和电容组成，其中非晶玻璃包裹丝两端各设有一个引脚，采样线圈两端各设有一个引脚，该磁敏探头具有精度高、响应快、量程广、体积小、重量轻且易批量生产的特点，本实用新型非侵入式电流测量装置还包括驱动电路、分频电路、信号处理电路、微处理器和数字显示器。
Description
技术领域
本实用新型属于电压测量装置技术领域，特别是涉及一种非晶玻璃包裹丝磁敏探头及包含该探头的非侵入式电流测量装置。
背景技术
电流检测传感器是供配电系统中的必备设备，其使用范围广、使用数量多，根据检测方式不同，大致可以分为侵入式检测与非侵入式检测两种。
侵入式检测，是指检测电路需在配电回路上搭建电气信号引出回路，通过测量回路中的电流、电压或磁信号，达到检测配电回路电流信号的目的。其优点是设备结构简单，缺点是与被检测电路直接接触，检测电路的故障有可能传导至被测电路，导致被测电路发生故障。
非侵入式检测，是指检测电路在电气上与负荷设备不发生直接联系而达到非接触式检测配电回路电压信号的目的。非侵入式检测即使出现故障也不会对被测系统造成影响，一方面排除了由测量系统自身故障导致被测系统故障的可能性，另一方面也可以保证测量的安全性，更加适合在科研生产等领域内使用。
传统的非侵入式电流传感器，都是以霍尔元件作为磁场检测元件设置在铁芯的间隙内，它们利用霍尔效应原理实现了电流的非侵入式测量，但是这种方法具有以下缺陷：
1.精度较低、要求线圈绕制非常精确，信号处理要求较高；
2.响应时间慢、测量范围有限、同时易受到电磁干扰；
3.元件的温度特性不佳，输出均匀性较差；
4.体积、重量较大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种非晶玻璃包裹丝磁敏探头，该探头精度高、响应快、量程广、体积小、重量轻且易批量生产，并且在大规模生产时能够大幅度降低生产成本，可以广泛用于科学研究以及工业生产等领域的电压检测。
本实用新型的另外一个目的在于提供一种包含该探头的电流测量装置。
本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
非晶玻璃包裹丝磁敏探头，由感应部件和采样部件组成，其中感应部件为非晶玻璃包裹丝，采样部件由采样线圈和电容组成，采样线圈缠绕在非晶玻璃包裹丝上，电容与采样线圈的两端连接，非晶玻璃包裹丝两端各设有一个引脚，采样线圈两端各设有一个引脚。
在上述非晶玻璃包裹丝磁敏探头中，非晶玻璃包裹丝为钴基非晶态合金玻璃包裹丝或铁基非晶态合金玻璃包裹丝。
在上述非晶玻璃包裹丝磁敏探头中，非晶玻璃包裹丝直径为20um～80um，长度为5mm～50mm。
在上述非晶玻璃包裹丝磁敏探头中，采样线圈由漆包线绕制而成，漆包线直径为30um～300um。
在上述非晶玻璃包裹丝磁敏探头中，采样线圈匝数为50～1000匝。
在上述非晶玻璃包裹丝磁敏探头中，电容的电容值为0.1nF～10nF。
一种包含上述非晶玻璃包裹丝磁敏探头的电流测量装置，还包括驱动电路、分频电路、信号处理电路、微处理器和数字显示器，其中：
驱动电路：由高速CMOS反相器芯片、电阻和电容组成，产生高频方波，并将高频方波输出给分频电路；
分频电路：对驱动电路输出的高频方波进行二、四分频，将产生的四分频驱动信号输出给磁敏探头，产生的二分频驱动信号输出给信号处理电路，
信号处理电路：接收分频电路输出的二分频驱动信号和磁敏探头输出的正弦波采样信号，并对正弦波采样信号进行斩波处理得到半波信号，之后对半波信号进行滤波、放大处理得到直流信号，最后将直流信号转换为数字信号，输出给微处理器；
微处理器：接收信号处理电路输出的数字信号，转换为被测电流值，并控制数字显示器显示被测电流值；
数字显示器：显示微处理器输出的被测电流值。
在上述包含非晶玻璃包裹丝磁敏探头的电流测量装置中，信号处理电路包括电子开关、整形放大电路和A/D转换，其中电子开关接收分频电路输出的二分频驱动信号和磁敏探头输出的正弦波采样信号，并对正弦波采样信号进行斩波处理得到半波信号；整形放大电路对半波信号进行滤波、放大处理得到直流信号；A/D将直流信号转换为数字信号，输出给微处理器。
本实用新型相比现有技术具有如下有益效果：
(1)本实用新型的磁敏探头采用体积较小的非晶玻璃包裹丝合金作为敏感材料，可以有效减小磁敏探头的体积和重量，方便批量生产；
(2)本实用新型磁敏探头中的非晶玻璃包裹丝合金敏感元件采用非对角的驱动方式，信号从绕在敏感元件上的线圈得到，在线圈的两端并联一个合适的电容，形成LC共振，并使传感器输出二次谐波信号，不仅减小了元件和后级信号处理电路的相互干扰，而且可以利用LC共振技术，得到高灵敏度、大量程以及良好的线性度的探头；
(3)本实用新型磁敏探头中的非晶玻璃包裹丝敏感元件，采用两个输出信号相反的非晶玻璃包裹丝构成差分结构，利用差分放大电路对共模信号的抑制能力，尽量消除外界干扰信号，同时提高探头的灵敏度。
附图说明
图1为本实用新型非晶玻璃包裹丝磁敏探头结构示意图；
图2为本实用新型非侵入式电流测量装置结构示意图。
图3为本实用新型非侵入式电流测量装置中驱动电路组成示意图；
图4为本实用新型非侵入式电流测量装置中分频电路组成示意图；
图5为本实用新型非侵入式电流测量装置中信号处理电路组成示意图；
图6为本实用新型信号处理电路中整形放大电路的组成示意图；
图7为本实用新型非侵入式电流测量装置工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述：
非晶态合金行业是一门新兴的热门行业，其非晶态材料优秀的软磁性能，具有极高的磁导率，通过极小的外磁场变化可以实现最大的磁感应强度变化，以获得更高的测量精度，更快的响应速度以及更小的体积和重量。
本实用新型的原理基于巨磁阻抗效应，将非晶玻璃包裹丝磁敏探头放入到被测电流所产生的磁场当中，非晶玻璃包裹丝磁敏探头由于其优秀的软磁性能，能够最大程度的感应磁感应强度的变化，采用非对角化的驱动方式，并在线圈的两端并联一个合适的电容，形成LC共振，通过测量缠绕在非晶玻璃包裹丝外围线圈两端输出的二次谐波，实现外界磁场的测量。二次谐波信号经过差分电路，使探头输出的信号幅值加倍，敏感度得到了提高，差分后的输出信号经过斩波电路产生正弦半波，通过对正弦半波进行整流，输出直流电平，从而完成信号的线性输出。通过玻璃包裹熔融拉丝技术制备的敏感元件具有高灵敏度、大量程以及良好的线性度，适合探测微小磁场信号，可以为后续的信号处理电路提供更好的信号输入。
如图1所示为本实用新型非晶玻璃包裹丝磁敏探头结构示意图，由图可知非晶玻璃包裹丝磁敏探头由感应部件和采样部件组成，其中感应部件由非晶玻璃包裹丝2组成，采样部件由设置在非晶玻璃包裹丝2外围的采样线圈1和电容3组成，其中采样线圈1缠绕在非晶玻璃包裹丝2上，电容3与采样线圈1的两端连接，非晶玻璃包裹丝2两端各设有一个引脚4，用来实现驱动信号的输入，采样线圈1两端各设有一个引脚5，用来输出探头产生的感应信号。
其中非晶玻璃包裹丝2材料为钴基或铁基非晶态合金玻璃包裹丝中的一种，其直径为20um～80um，长度为5mm～50mm。采样线圈1由漆包线绕制而成，漆包线直径为30um～300um，采样线圈匝数为50～1000匝，电容3的电容值为0.1nF～10nF。
如图2所示为本实用新型非侵入式电流测量装置结构示意图，由图可知该电流测量装置包括非晶玻璃包裹丝磁敏探头、驱动电路、分频电路、信号处理电路、微处理器和数字显示器，其中两个输出相反的非晶玻璃包裹丝磁敏探头分别设置在被测导线两侧，形成差分结构，并通过后续差分放大电路进行放大，提高探头灵敏度。
驱动电路为高速CMOS反相器芯片74HC04、电阻和电容组成的阻容振荡电路，输出4MHz的方波。如图3所示为非侵入式电流测量装置中驱动电路组成示意图，由图可知该驱动电路由三个反相器、一个电容和一个电阻组成，其中三个反相器串联连接，电阻与其中一个反相器并联连接，电容与其中二个反相器并联连接，驱动电路产生高频方波，并将高频方波输出给分频电路，该驱动电路不仅响应速度快、转折电压稳定、频率小于5MHz时输出方波跳变沿不超过20ns且与TTL电路兼容，与同类型两级反相器相比，三级反相器更容易起振，且振荡频率范围宽(可达20MHz)，可通过R、C值调节振荡频率。
如图4所示为本实用新型非侵入式电流测量装置中分频电路组成示意图，由图可知分频电路包括两个D触发器，分频电路利用两个D触发器对驱动电路产生的高频方波进行二、四分频，触发器的型号为74HC74D，其中四分频方波用来驱动非晶玻璃包裹丝探头，二次分频方波为信号处理电路中电子开关的开关控制信号。
信号处理电路电子开关包括电子开关、整形放大电路和A/D转换，如图5所示为本实用新型非侵入式电流测量装置中信号处理电路组成示意图，其中电子开关接收分频电路输出的二分频驱动信号和磁敏探头输出的正弦波采样信号，并对正弦波采样信号进行斩波处理得到半波信号，电子开关的型号为CD4066。
如图6所示为本实用新型信号处理电路中整形放大电路的组成示意图，整形放大电路通过集成运放、二极管和电阻搭建而成，完成微弱信号的滤波、放大处理，将半波信号转换为直流信号，后经A/D转换为数字信号输出给微处理器。其中集成运放的型号为AD8032，将模拟信号转化为数字信号的A/D采用AD7705BR。
微处理器接收信号处理电路输出的数字信号，转换为被测电流数值，并控制数字显示器进行显示，微处理器可以选择摩托罗拉公司的MC68系列单片机。
如图7所示为本实用新型非侵入式电流测量装置工作原理图。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.非晶玻璃包裹丝磁敏探头，其特征在于：由感应部件和采样部件组成，其中感应部件为非晶玻璃包裹丝(2)，采样部件由采样线圈(1)和电容(3)组成，采样线圈(1)缠绕在非晶玻璃包裹丝(2)上，电容(3)与采样线圈(1)的两端连接，非晶玻璃包裹丝(2)两端各设有一个引脚(4)，采样线圈(1)两端各设有一个引脚(5)。
2.根据权利要求1所述的非晶玻璃包裹丝磁敏探头，其特征在于：所述非晶玻璃包裹丝(2)为钴基非晶态合金玻璃包裹丝或铁基非晶态合金玻璃包裹丝。
3.根据权利要求1所述的非晶玻璃包裹丝磁敏探头，其特征在于：所述非晶玻璃包裹丝(2)直径为20um～80um，长度为5mm～50mm。
4.根据权利要求1所述的非晶玻璃包裹丝磁敏探头，其特征在于：所述采样线圈(1)由漆包线绕制而成，漆包线直径为30um～300um。
5.根据权利要求1所述的非晶玻璃包裹丝磁敏探头，其特征在于：所述采样线圈(1)匝数为50～1000匝。
6.根据权利要求1所述的非晶玻璃包裹丝磁敏探头，其特征在于：所述电容(3)的电容值为0.1nF～10nF。
7.一种包含权利要求1所述非晶玻璃包裹丝磁敏探头的电流测量装置，其特征在于：还包括驱动电路、分频电路、信号处理电路、微处理器和数字显示器，其中：
驱动电路：由高速CMOS反相器芯片、电阻和电容组成，产生高频方波，并将高频方波输出给分频电路；
分频电路：对驱动电路输出的高频方波进行二、四分频，将产生的四分频驱动信号输出给磁敏探头，产生的二分频驱动信号输出给信号处理电路，
信号处理电路：接收分频电路输出的二分频驱动信号和磁敏探头输出的正弦波采样信号，并对正弦波采样信号进行斩波处理得到半波信号，之后对半波信号进行滤波、放大处理得到直流信号，最后将直流信号转换为数字信号，输出给微处理器；
微处理器：接收信号处理电路输出的数字信号，转换为被测电流值，并控制数字显示器显示被测电流值；
数字显示器：显示微处理器输出的被测电流值。
8.根据权利要求7所述的一种包含权利要求1所述非晶玻璃包裹丝磁敏探头的电流测量装置，其特征在于：所述信号处理电路包括电子开关、整形放大电路和A/D转换，其中电子开关接收分频电路输出的二分频驱动信号和磁敏探头输出的正弦波采样信号，并对正弦波采样信号进行斩波处理得到半波信号；整形放大电路对半波信号进行滤波、放大处理得到直流信号；A/D将直流信号转换为数字信号，输出给微处理器。
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