基于磁调制技术的电流检测方法和装置与流程

本发明涉及的是一种电流检测领域的技术，具体是一种基于磁调制技术的电流检测方法和装置。

背景技术：

电流检测技术普遍应用于工业和民用的各种场合，主要作用是对各类用电器的工作电流以及供电回路的电流实现监控，或为控制系统提供电流反馈信息。剩余电流检测技术主要用于保障人身安全，预防因漏电造成的安全隐患。另外，检测电流较大的剩余电流检测技术也被用于保护用电器和供电回路的安全，防止因接地故障造成财产损失。

现有的电流和剩余电流检测技术可分为接触式和非接触式两类。作为简单和直接的检测方法，接触式检测技术通过在回路中串联电阻的方式进行检测，但由于电阻串联于回路中，其功耗随着电流的增大而急剧增大，对于系统用电效率和散热存在负面影响。虽然通过降低电阻值可以减少其功耗，但其两端的电压也会随之减小，电流检测的精度和抗干扰能力也随之降低。另外，由于采样电阻两端的电压为主回路电压，检测电路的电源在大部分情况下需要与主回路隔离，大大增加了电路的复杂程度和成本。

非接触式检测技术通过检测电流产生的磁场来间接地检测电流大小。非接触式检测技术主要可分为三大类。

第一类非接触式检测技术通过霍尔效应、巨磁阻抗效应、隧磁阻抗效应等物理效应将电流产生的磁场转化为可被测量的电信号，此类检测手段的精度、稳定性和可靠性都无法满足要求，因此目前该技术未普遍应用于剩余电流测量领域。

第二类非接触式检测技术基于电磁感应原理，通过一个环绕被测电流载流导体的电流互感器上的次级线圈所产生的感应电流来检测流过载流导体的被测电流大小，该种检测方法无法检测直流电流，对于非正弦波的电流检测精度也较低。在半导体电子元器件大规模应用以前，大部分用电器的电流都是正弦波，而随着半导体电子元器件的大规模应用，用电器的电流开始出现直流、高频、脉动直流以及不规则的各种波形，该种检测方法无法完全胜任。

第三类非接触式检测技术基于磁调制技术，通过对一磁材料施加激励，使其磁化程度发生振荡。被测磁场或被测电流产生的磁场会对其磁化程度的振荡造成偏移，通过测量此偏移值来获得被测磁场或被测电流的大小。该方法的最大优点是能够测量任意波形，也包括直流。但其缺点是电路特别复杂，目前大部分此类技术的产品需要上百个电子元器件才能实现功能，制造成本高，电路整体可靠性低。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于磁调制技术的电流检测方法和装置，通过去除低通滤波器的同时实现基于磁调制技术的电流和剩余电流检测，且其精度、频率响应特性、延时等多项关键技术指标优于现有技术。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于磁调制技术的电流检测方法，在传感端以带有闭合导磁介质的激励绕组作为调制器将至少一个待测载流导体上的待测电流调制到周期性的载波信号上，并在检测端通过模数转换得到数字域信号，再经降维处理得到代表待测载流导体上电流信息的特征值。

所述的待测载流导体穿过所述的闭合导磁介质。

所述的调制是指当载波信号施加在激励绕组上且激励信号位于正半周期时，流过激励绕组的电流逐渐增大，并将其带出负饱和区，带向正饱和区；当激励信号位于负半周期时，流过激励绕组的激励电流逐渐减小，并将其带出正饱和区，带向负饱和区，由于载波信号为周期性的，激励绕组因此不断地在正负饱和区之间来回翻转，其激励电流波形的线性区域偏移量与待测电流的大小成比例，从而实现调制。

所述的周期性的载波信号是指波形确定的周期信号，优选采用方波信号。

所述的检测端，采用但不限于与所述激励绕组相连的采样电阻实现。

所述的模数转换是指：对检测端得到的调制信号进行采样和量化处理。

所述的采样，采用但不限于在一个或多个信号周期内采集至少一次，优选为每半周期采集一次，进一步优选为采集时间为载波信号的上升沿和/或下降沿。

所述的降维处理包括但不限于对数字信号进行：求平均值、求微分、求积分或分组求平均值中的一种或多种处理后，通过求取阈值、差值、进行数字滤波、补偿、延时、计算有效值中的一种或多种处理，从而得到待测载流导体上的电流信息。

本发明涉及一种基于磁调制技术的电流检测装置，包括：用于产生磁调制载波的信号发生机构、调制机构、信号采集机构和信号解调机构，其中：信号发生机构生成载波信号并输出至调制机构，至少一个待测载流导体穿过所述调制机构，并将调制信号输出至信号采集机构，信号解调机构对信号采集机构上的电压进行模数转换和降维处理后得出待测载流导体上的电流。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为本发明磁调制载波信号波形图；

图3为实施例频率-增益示意图；

图4为实施例采样电压示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：至少一个待测载流导体5、用于产生磁调制载波的信号发生机构0、调制机构1、信号采集机构3和信号解调机构4，其中：信号发生机构0生成调制信号并输出至调制机构1，待测载流导体5穿过调制机构1，并将调制信号输出至信号采集机构3，信号解调机构4对信号采集机构3上的电压进行模数转换和降维处理后得出待测载流导体上的电流。

所述的调制机构1包括激励绕组6和闭合导磁介质2，其中：激励绕组6设置于闭合导磁介质2上并与信号发生机构0相连，所述待测载流导体5穿过闭合导磁介质2。

所述的信号采集机构3采用与调制机构2相连的采样电阻7实现，其中：采样电阻7的一端电压固定，另一端与信号解调机构4相连。

所述的电压固定是指：采样电阻7的一端接地或与所述电流检测装置上的恒定低电压源，如vss相连。

所述的信号解调机构4包括：模数转换单元8和降维单元9，其中：模数转换单元将信号采集机构3上模拟域的电压转换为数字域信号，降维单元提取得到代表待测载流导体上电流信息的特征值。

所述的数字域信号的频率优选为调制信号的频率的整数倍。

如图2～图4所示，本实施例通过在传感端以带有闭合导磁介质的激励绕组作为调制器将至少一个待测载流导体上的待测电流调制到周期性的载波信号，并在检测端通过模数转换得到数字域信号，再经降维处理得到特征值，从而得到待测载流导体上的电流信息。

所述的降维处理，采用但不限于以下任意一种方式从数字信号a中提取得到周期性特征y，然后通过求取阈值、差值、进行数字滤波、补偿、延时、计算有效值等代表待测载流导体上电流信息的特征值。

方法一：在一个激励周期text或多个激励周期ntext内，对所有或部分的采样数据取平均，得到周期性的数值结果

方法二：在一个激励周期text或多个激励周期ntext内，仅进行一次采样，得到a周期性的数值结果y＝a。也可对a进行补偿y＝a+b，b为补偿值。

方法三：在一个激励周期text或多个激励周期ntext内，分别在激励电压为正和激励为负时进行多次采样，对激励电压为正时的所有或部分采样数据取平均，得到对激励电压为负时的所有或部分采样数据取平均，得到周期性的数值结果

方法四：在一个激励周期text或多个激励周期ntext内，分别在激励电压为正和激励为负时进行一次采样，激励电压为正时的采样结果为apos，激励电压为负时的采样结果为aneg，周期性的数值结果y＝(apos+aneg)/2。

方法五：在一个激励周期text或多个激励周期ntext内，分别在激励电压的上升沿和激励电压的下降沿时刻进行多次采样，对激励电压上升沿时的所有或部分采样数据取平均，得到对激励电压下降沿时的所有或部分采样数据取平均，得到周期性的数值结果

方法六：在一个激励周期text或多个激励周期ntext内，分别在激励电压的上升沿和激励电压的下降沿时刻进行一次采样，激励电压上升沿时的采样结果为apos，激励电压下降沿时的采样结果为aneg，周期性的数值结果y＝(apos+aneg)/2。

所述的求取阈值是指：在检测端设置特征值的基础值，当实际检测过程中得到的特征值与基础值超出范围后即视为采集到电流信息。

所述的数字滤波是指：通过对一段时间内的周期性数值结果的集合进行平均值、加权平均值、中值等方法的数字滤波处理，调整频率响应特性或抑制干扰。

所述的补偿是指：通过对周期性数值增加或减少一个预设值，补偿系统误差。

所述的延时是指：参与计算的周期性数值结果的集合并不包括最新的结果，可使输出结果与被测电流之间保持一个固定的滞后延时。

所述的计算有效值是指：对一段时间内的周期性数值结果的集合计算所有元素的平方和的平方根。也可仅计算所有元素的平方和以减少计算量。

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1)更高的检测频率，更低的系统功耗：现有技术中通过低通滤波器将激励频率从采样信号中滤除。这要求激励频率比被测电流的频率高至少3倍，采样信号中的信噪比才能被提高到实用的程度。而激励频率由激励电压决定，在实践中，提高激励频率意味着更高的系统供电电压和功耗，因此激励频率在应用中受到实际条件限制，无法任意提高。因此，原有技术能够检测的最高频率普遍为几十到几百赫兹。

本发明所提出的方法不需要低通滤波器，它通过信号同步的方法滤除采样信号中的激励波形，因此其最高检测频率可以达到激励频率的1.5倍。与原有方法相比，本发明所提出的方法在相同的激励频率下能够检测的频率范围为原有技术的4.5倍。如实现相同的检测频率，本发明提出的方法的系统功耗为原有方法的1/3。

2)更快的响应速度：现有技术中低通滤波器频率响应的陡峭程度决定了激励频率和被测电流之间的倍率关系。为了使激励频率尽量低，被测频率尽量高，低通滤波器的阶数被设计得很高，导致信号通过低通滤波器的延时较长，往往达到20个激励信号周期以上。

本发明所提出的方法不需要低通滤波器，延时仅由采样频率产生，因此可以达到小于1个激励信号周期的延时。当激励信号频率相同时，本发明所提出的方法与原有方法相比，信号延时可以缩短20倍以上，如图3所示。

3)更好的线性度，更小的波形差异性：现有技术中每次激励翻转时铁芯的饱和深度不尽相同，导致激励电流中的调制电流分量随着感应电流分量的变化而变化，最终引起测量的非线性误差。

本发明所提出的方法虽然不要求铁芯必须在完全相同的饱和深度翻转，但由于采用了和激励波形同步的采样方式，不同饱和深度引起的误差可以通过降维处理的方法滤除，因此本方法的非线性误差相比原有方法更小，在测量不规则波形时，波形对于测量结果的影响也更小。

在被测波形十分尖锐且频率较高时，原有方法的测量结果失真尤其明显，与本发明提出的方法的对比如图4所示。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。