CN212060398U - 一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器，涉及电流传感器领域，该电流传感器包括磁通门探头和PCB板并且置于传感器外壳中，磁通门探头包括环形磁芯和绕设在其上的线圈，传感器外壳采用上壳和下壳对扣形式安装，传感器外壳上设有通孔结构且置于环形磁芯的中心处，通孔结构用于放置被测电路，PCB板包括依次相连的自激励电路、采样电路、放大电路和信号处理电路。通过自激励电路产生的激励信号作用在线圈上使得环形磁芯发生反复磁化饱和，线圈感应出被测电路的磁场信号，通过采样电路、放大电路和信号处理电路对磁场信号进行处理最终输出模拟量信号和/或数字量信号和/或PWM信号，从而检测出被测电路的电流。

Description

一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器

技术领域

本实用新型涉及电流传感器领域，尤其是一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器。

背景技术

当前电梯、起重设备、叉车等特种设备的物联网监测的需求越来越旺盛，因此高精度电流传感器的应用越来越广泛，在工业应用上具有广泛的开发前景。目前电流测量方法主要有：电流互感器、霍尔电流传感器和磁通门电流传感器。电流互感器将大电流变换为小电流，但其在电压很高的情况下暂态响应范围小、误差较大。霍尔电流传感器能够检测几十到几千安培的电流，但其在小电流检测领域的精度较差，易受温度和外界磁场的影响。磁通门电流传感器与另两种电流传感器相比，具有分辨率高、测量磁场范围宽、可靠性高等优点。目前的磁通门电流传感器将线圈电感的饱和时间间隔和负载电流通过微控制器处理后，达到测量直流电流的目的。该结构只能测量交流电流，应用范围较窄且功能单一，鉴于上述现有的电流传感器所存在的问题，导致现有的电流传感器在实际测量中存在较大的测量误差，不能满足实际需求。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器。本申请的电流传感器基于磁通门原理，通过自激励电路产生的激励信号作用在线圈上使得环形磁芯发生反复磁化饱和，从而使线圈感应出被测电路的磁场信号，通过采样电路、放大电路和信号处理电路对磁场信号进行处理最终输出模拟量信号和/或数字量信号和/或PWM信号，从而检测出被测电路的电流。

本实用新型的技术方案如下：

一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器，该电流传感器包括磁通门探头和PCB板，磁通门探头包括环形磁芯和绕设在环形磁芯上的线圈，磁通门探头和PCB板置于传感器外壳中，传感器外壳采用上壳和下壳对扣形式安装，在上壳和下壳上分别开设有安装腔，安装腔向壳内延伸连通形成通孔结构，通孔结构设于环形磁芯的中心处，通孔结构用于放置被测电路，在传感器外壳上还设有输入输出接口和可调电阻旋钮；

PCB板包括系统电源、自激励电路、采样电路、放大电路和信号处理电路；输入输出接口连接系统电源，系统电源连接自激励电路、放大电路和信号处理电路并提供电源，自激励电路、线圈、采样电路、放大电路和信号处理电路依次相连，信号处理电路还连接输入输出接口；

自激励电路包括反馈电路、第一运放和第二运放，反馈电路由第一电阻和第二电阻组成用于恢复环形磁芯的饱和状态，采样电路包括采样电阻，放大电路包括第三运放，信号处理电路包括模拟量处理电路、数字量处理电路和PWM 转换电路；

第一运放的同相输入端连接第二运放的反相输入端，第一运放的反相输入端分别连接第二运放的同相输入端、第一电阻和第二电阻的公共端，第一电阻的第一端通过第二电阻接地，第一电阻的第二端连接线圈的第一端，第一运放的输出端连接线圈的第二端，第二运放的输出端通过串接的第三电阻和第四电阻连接第一运放的输出端，采样电阻的第一端连接线圈的第一端、还通过第五电阻连接第三运放的反相输入端，采样电阻的第二端连接线圈的第二端、还通过第六电阻连接第三运放的同相输入端，第三运放的输出端通过第七电阻连接采样电阻和第六电阻的公共端，采样电阻和第六电阻的公共端还通过第八电阻连接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端连接输入输出接口。

其进一步的技术方案为，系统电源包括基于LM7808芯片实现的第一电源稳压芯片和基于LM7908芯片实现的第二电源稳压芯片，第一电源稳压芯片用于将+12V电源转换为+8V电源，第二电源稳压芯片用于将-12V电源转换为-8V 电源，第一电源稳压芯片的输入端分别连接输入输出接口的第一引脚和第一电容的第一端，第一电源稳压芯片的输出端连接第二电容的第一端，第一电容的第二端和第二电容的第二端接地，第一电源稳压芯片的输出端还连接第一运放、第二运放和第三运放的正电源端，第二电源稳压芯片的第一输入端分别连接输入输出接口的第二引脚和第三电容的第一端，第二电源稳压芯片的第二输入端分别连接输入输出接口的第二引脚和第三电容的第一端，第二电源稳压芯片的输出端连接第四电容的第一端，第三电容的第二端和第四电容的第二端接地，第二电源稳压芯片的输出端还连接第一运放、第二运放和第三运放的负电源端，输入输出接口的第三引脚通过第十六电阻连接信号处理电路的输出端。

其进一步的技术方案为，数字量处理电路包括第四运放、第五运放和可调电阻，第四运放的同相输入端通过第九电阻连接第八电阻，第四运放的反相输入端通过第十电阻接地，第四运放的输出端通过第十一电阻连接第五运放的反相输入端，第五运放的同相输入端接地，第五运放的输出端通过第十六电阻连接输入输出接口的第三引脚，可调电阻的控制端通过第十二电阻连接第十电阻和第四运放的公共端，可调电阻的第一端分别连接第十三电阻的第一端和第一二极管的阴极，可调电阻的第二端连接第十四电阻的第一端，第十四电阻的第二端分别连接第十五电阻的第一端和第二二极管的阴极，第十三电阻的第二端连接第一电源稳压芯片的输出端，第十五电阻的第二端连接第二电源稳压芯片的输出端，第一二极管的阳极和第二二极管的阳极均接地。

其进一步的技术方案为，环形磁芯外设有屏蔽层，屏蔽层接地用于去除外部磁场的干扰。

其进一步的技术方案为，线圈采用单线圈，绕设方式为单圈或多圈缠绕的方式实现。

本实用新型的有益技术效果是：

本申请的电流传感器基于磁通门原理，通过自激励电路产生的激励信号作用在线圈上使得环形磁芯发生反复磁化饱和，从而使线圈感应出被测电路的磁场信号，通过采样电路、放大电路和信号处理电路对磁场信号进行处理最终输出模拟量信号和/或数字量信号和/或PWM信号，从而检测出被测电路的电流；通过可调电阻旋钮控制可调电阻的阈值进而控制数字量信号的输出，通过PWM 转换电路调节PWM信号的占空比，使得PWM信号与被测的模拟量信号产生线性对应关系，便于电流传感器辨识和使用。本申请的电流传感器适用于检测交直流电流，系统电源采用双电源稳压芯片供电，在电源稳压芯片的输入端和输出端之间设有滤波电容，避免由于电源波动引起供电误差；通过反馈电路可以将饱和状态下的磁芯快速恢复，加快了检测时间；通过在环形磁芯外设屏蔽层接地，有效增强了电流传感器的抗干扰性能。

附图说明

图1是本申请提供的磁通门探头的结构图。

图2是本申请提供的传感器外壳的主视图。

图3是本申请提供的传感器外壳的另一视角的主视图。

图4是本申请提供的电流传感器的原理框图。

图5是本申请提供的自激励电路、线圈、采样电路和放大电路的部分电路图。

图6是本申请提供的系统电源和输入输出接口的电路图。

图7是本申请提供的数字量处理电路的部分电路图。

图8是本申请提供的PWM转换电路的部分电路图。

图9是本申请提供的锯齿波和模拟信号输出的占空比对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器，电流传感器包括磁通门探头和PCB板，如图1所示，磁通门探头包括环形磁芯1和绕设在环形磁芯1上的线圈2，可选的，本申请的环形磁芯1由纳米晶材质构成，环形磁芯1外设有屏蔽层，屏蔽层接地用于去除外部磁场的干扰。本申请的线圈采用单线圈的纯铜漆包线，绕设方式可以为单圈或多圈缠绕的方式实现。磁通门探头和PCB板置于传感器外壳中，如图2和图3所示，传感器外壳采用上壳3 和下壳4对扣形式安装，在上壳3和下壳4上分别开设有安装腔，安装腔向壳内延伸连通形成通孔结构，通孔结构设于环形磁芯的中心处，通孔结构用于放置被测电路5，在传感器外壳上还设有输入输出接口6和可调电阻旋钮7。在本申请中，输入输出接口6和可调电阻旋钮7都设置在上壳3的外表面上，环形磁芯1和PCB板设置在上壳3的内表面上，将下壳4与上壳3的壳体对扣，通过对扣形式安装不仅能避免对传感器外壳进行灌胶步骤，由于灌胶后在胶硬化过程中，胶体应力导致电流传感器的敏感器件参数变化，还使得传感器外壳的密封性能良好，提高了产品的合格率。

电流传感器的原理框图如图4所示，PCB板包括系统电源、自激励电路、采样电路、放大电路和信号处理电路。输入输出接口连接系统电源，系统电源连接自激励电路、放大电路和信号处理电路并提供电源，自激励电路、线圈、采样电路、放大电路和信号处理电路依次相连，信号处理电路还连接输入输出接口。本申请的电流传感器基于磁通门原理，通过自激励电路产生的激励信号作用在线圈2上使得环形磁芯1发生反复磁化饱和，从而使线圈2感应出被测电路5的磁场信号，通过采样电路、放大电路和信号处理电路对磁场信号进行处理最终输出模拟量信号和/或数字量信号和/或PWM信号，从而检测出被测电路的电流。

自激励电路包括反馈电路、第一运放U1和第二运放U2。在检测过程中，当被测电路的电流远大于额定电流时，由于磁通门原理，环形磁芯1会快速达到饱和，如电流长时间保持时，会导致环形磁芯1一直处于饱和状态，无法自动恢复或恢复时间较长，这样会导致采集数据错误，因此本申请中增加了反馈电路，反馈电路由第一电阻R1和第二电阻R2组成用于恢复环形磁芯的饱和状态。采样电路包括采样电阻Rs，放大电路包括第三运放U3-1。信号处理电路包括模拟量处理电路、数字量处理电路和PWM转换电路，根据实际需求选择输出模拟量信号和/或数字量信号和/或PWM信号。

具体的，如图5所示，第一运放U1的同相输入端连接第二运放U2的反相输入端，第一运放U1的反相输入端分别连接第二运放U2的同相输入端、第一电阻R1和第二电阻R2的公共端，第一电阻R1的第一端通过第二电阻R2接地，第一电阻R1的第二端连接线圈的第一端1引脚，第一运放U1的输出端连接线圈的第二端2引脚，第二运放U2的输出端通过串接的第三电阻R3和第四电阻R4连接第一运放U1的输出端，采样电阻Rs的第一端连接线圈的第一端 1引脚、还通过第五电阻R5连接第三运放U3-1的反相输入端，采样电阻Rs 的第二端连接线圈的第二端2引脚、还通过第六电阻R6连接第三运放U3-1的同相输入端，第三运放U3-1的输出端通过第七电阻R7连接采样电阻Rs和第六电阻R6的公共端，采样电阻Rs和第六电阻R6的公共端还通过第八电阻R8 连接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端连接输入输出接口。在本申请中，放大电路还包括第六运放U3-2，其外围电路采用现有常规电路，因此本申请不详细介绍其电路结构。另外，为了方便本领域人员理解电路连接结构，在图5中标识的a与图7中标识的a相连。

系统电源的电路图如图6所示，系统电源包括基于LM7808芯片实现的第一电源稳压芯片和基于LM7908芯片实现的第二电源稳压芯片，第一电源稳压芯片U6用于将+12V电源转换为+8V电源，第二电源稳压芯片U7用于将-12V 电源转换为-8V电源。第一电源稳压芯片U6的输入端IN引脚分别连接输入输出接口J1的第一引脚1和第一电容C1的第一端，第一电源稳压芯片U6的输出端OUT引脚连接第二电容C2的第一端，第一电容C1的第二端和第二电容C2的第二端接地，第一电源稳压芯片U6的输出端OUT引脚还连接第一运放、第二运放和第三运放的正电源端，第二电源稳压芯片U7的第一输入端IN引脚分别连接输入输出接口的第二引脚2和第三电容C3的第一端，第二电源稳压芯片U7的第二输入端IN2引脚分别连接输入输出接口的第二引脚2和第三电容C3的第一端，第二电源稳压芯片U7的输出端OUT引脚连接第四电容C4 的第一端，第三电容C3的第二端和第四电容C4的第二端接地，第二电源稳压芯片U7的输出端OUT引脚还连接第一运放、第二运放和第三运放的负电源端，输入输出接口的第三引脚3通过第十六电阻R16连接信号处理电路的输出端，输入输出接口的第四引脚4接地。在本申请中，通过在电源稳压芯片的输入端和输出端之间设有滤波电容(也即第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3 和第四电容C4)，避免由于电源波动引起供电误差。另外，为了方便本领域人员理解电路连接结构，在图6中标识的b与图7中标识的b相连。

本申请提供的数字量处理电路的部分电路图如图7所示，数字量处理电路包括第四运放U4、第五运放U5和可调电阻RV1，第四运放U4的同相输入端通过第九电阻R9连接第八电阻R8，第四运放U4的反相输入端通过第十电阻 R10接地，第四运放U4的输出端通过第十一电阻R11连接第五运放U5的反相输入端，第五运放U5的同相输入端接地，第五运放U5的输出端通过第十六电阻R16连接输入输出接口的第三引脚3，可调电阻RV1的控制端通过第十二电阻R12连接第十电阻R10和第四运放U4的公共端，可调电阻RV1的第一端分别连接第十三电阻R13的第一端和第一二极管Z1的阴极，可调电阻RV1的第二端连接第十四电阻R14的第一端，第十四电阻R14的第二端分别连接第十五电阻R15的第一端和第二二极管Z2的阴极，第十三电阻R13的第二端连接第一电源稳压芯片的输出端OUT引脚，第十五电阻R15的第二端连接第二电源稳压芯片的输出端OUT引脚，第一二极管Z1的阳极和第二二极管Z2的阳极均接地。通过可调电阻旋钮7控制可调电阻RV1的阈值进而改变第十电阻R10 和第四运放U4公共端的电压(也即改变输入第四运放反相输入端的阈值信号)，将放大电路输出的模拟量信号送至第四运放U4同相输入端，经过第四运放U4 的比较后送至第五运放U5滤波放大处理后输出有效的数字量信号。

放大电路输出的模拟量信号经过信号处理电路的模拟量处理电路处理后即输出了模拟量信号。

放大电路输出的模拟量信号经过信号处理电路的PWM转换电路处理后即输出了PWM信号。具体的，本申请的PWM转换电路包括比较器，如图8和图9所示，比较器的同相输入端输入模拟量信号X(t)，比较器的反相输入端输入锯齿波电路，锯齿波的基准频率为5kHz，比较器的输出端输出PWM信号，其占空比根据模拟量信号大小自动调整，在锯齿波零电流时占空比默认为50％。将基准频率的锯齿波8与模拟量信号9作比较，零电流的时候，模拟量信号9 对应锯齿波8幅值的一半，此时产生占空比为50％的方波。当电流大于零时，产生超过锯齿波8幅值1/2的模拟量信号9，经过比较器后，产生占空比大于 50％的方波。当电流小于零时，产生低于锯齿波8幅值1/2的模拟量信号9，经过比较器后，产生占空比小于50％的方波。这样使得PWM信号与被测的模拟量信号产生线性对应关系，便于电流传感器辨识和使用。

由于本申请的模拟量处理电路和PWM转换电路采用现有常规电路，因此本申请不详细介绍其电路结构。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非侵入式高精度交直流通用电流传感器，其特征在于，所述电流传感器包括磁通门探头和PCB板，所述磁通门探头包括环形磁芯和绕设在所述环形磁芯上的线圈，所述磁通门探头和所述PCB板置于传感器外壳中，所述传感器外壳采用上壳和下壳对扣形式安装，在所述上壳和下壳上分别开设有安装腔，所述安装腔向壳内延伸连通形成通孔结构，所述通孔结构设于所述环形磁芯的中心处，所述通孔结构用于放置被测电路，在所述传感器外壳上还设有输入输出接口和可调电阻旋钮；

所述PCB板包括系统电源、自激励电路、采样电路、放大电路和信号处理电路；所述输入输出接口连接所述系统电源，所述系统电源连接所述自激励电路、所述放大电路和所述信号处理电路并提供电源，所述自激励电路、所述线圈、所述采样电路、所述放大电路和所述信号处理电路依次相连，所述信号处理电路还连接所述输入输出接口；

所述自激励电路包括反馈电路、第一运放和第二运放，所述反馈电路由第一电阻和第二电阻组成用于恢复所述环形磁芯的饱和状态，所述采样电路包括采样电阻，所述放大电路包括第三运放，所述信号处理电路包括模拟量处理电路、数字量处理电路和PWM转换电路；

所述第一运放的同相输入端连接所述第二运放的反相输入端，所述第一运放的反相输入端分别连接所述第二运放的同相输入端、所述第一电阻和所述第二电阻的公共端，所述第一电阻的第一端通过所述第二电阻接地，所述第一电阻的第二端连接所述线圈的第一端，所述第一运放的输出端连接所述线圈的第二端，所述第二运放的输出端通过串接的第三电阻和第四电阻连接所述第一运放的输出端，所述采样电阻的第一端连接所述线圈的第一端、还通过第五电阻连接所述第三运放的反相输入端，所述采样电阻的第二端连接所述线圈的第二端、还通过第六电阻连接所述第三运放的同相输入端，所述第三运放的输出端通过第七电阻连接所述采样电阻和所述第六电阻的公共端，所述采样电阻和所述第六电阻的公共端还通过第八电阻连接所述信号处理电路的输入端，所述信号处理电路的输出端连接所述输入输出接口。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述系统电源包括基于LM7808芯片实现的第一电源稳压芯片和基于LM7908芯片实现的第二电源稳压芯片，所述第一电源稳压芯片用于将+12V电源转换为+8V电源，所述第二电源稳压芯片用于将-12V电源转换为-8V电源，所述第一电源稳压芯片的输入端分别连接所述输入输出接口的第一引脚和第一电容的第一端，所述第一电源稳压芯片的输出端连接第二电容的第一端，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端接地，所述第一电源稳压芯片的输出端还连接所述第一运放、所述第二运放和所述第三运放的正电源端，所述第二电源稳压芯片的第一输入端分别连接所述输入输出接口的第二引脚和第三电容的第一端，所述第二电源稳压芯片的第二输入端分别连接所述输入输出接口的第二引脚和第三电容的第一端，所述第二电源稳压芯片的输出端连接第四电容的第一端，所述第三电容的第二端和所述第四电容的第二端接地，所述第二电源稳压芯片的输出端还连接所述第一运放、所述第二运放和所述第三运放的负电源端，所述输入输出接口的第三引脚通过第十六电阻连接所述信号处理电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，所述数字量处理电路包括第四运放、第五运放和可调电阻，所述第四运放的同相输入端通过第九电阻连接所述第八电阻，所述第四运放的反相输入端通过第十电阻接地，所述第四运放的输出端通过第十一电阻连接所述第五运放的反相输入端，所述第五运放的同相输入端接地，所述第五运放的输出端通过所述第十六电阻连接所述输入输出接口的第三引脚，所述可调电阻的控制端通过第十二电阻连接所述第十电阻和所述第四运放的公共端，所述可调电阻的第一端分别连接第十三电阻的第一端和第一二极管的阴极，所述可调电阻的第二端连接第十四电阻的第一端，所述第十四电阻的第二端分别连接第十五电阻的第一端和第二二极管的阴极，所述第十三电阻的第二端连接所述第一电源稳压芯片的输出端，所述第十五电阻的第二端连接所述第二电源稳压芯片的输出端，所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阳极均接地。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述环形磁芯外设有屏蔽层，所述屏蔽层接地用于去除外部磁场的干扰。

5.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述线圈采用单线圈，绕设方式为单圈或多圈缠绕的方式实现。

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