一种单磁芯准数字式直流大电流传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于直流大电流测量领域，尤其涉及一种单磁芯准数字式直流大电流传感器。
【背景技术】
[0002]直流大电流测量广泛应用于电气或电子设备中用于能量管理、反馈控制或监控保护。目前能够实现直流大电流测量的方法有多种，已经实现产品化的主要包括分流器法、霍尔效应法、各向异性磁阻效应法、巨磁阻效应法、磁通门效应法和法拉第磁光效应法。利用这些方法制成的电流传感器各具特色，广泛应用于各领域中。但是这些传统传感器的输出均为模拟量，即电流量或电压量，当传感器需要与数字系统连接时，必须对传感器输出的模拟量进行A/D转换。A/D转换器的加入在增加成本的同时会造成电路结构复杂，可靠性降低，最重要的是可能会引入额外的测量误差。
[0003]解决该问题的一个办法是研制准数字式直流电流传感器。目前，国内外已有通过测量压电陶瓷悬臂梁的谐振频率进行直流电流测量的文献报道，但由于测量原理所限，这些方法只能测量毫安量级的小电流，测量精度差且仅停留在实验室阶段。因此，有必要研宄新的可用于直流大电流测量的准数字式直流电流测量方法。
[0004]一种可能的解决方案是采用由非线性互感器和电压比较器构成的RL多谐振荡器。图1所示为已有的应用RL多谐振荡器原理的直流电流传感器原理框图，主要构成包括由非线性互感器T和电压比较器CMP组成的RL多谐振荡器Al、稳压管限幅电路B1、有源或无源低通滤波器Cl。这种传感器的基本原理是根据非线性互感器副边绕组Ws的激磁电流
与原边被测电流IP之间的线性关系进行测量。但该传感器的输出仍为模拟量，当需要与数字系统El连接时，需要增加A/D转换器Dl进行模数转换。此外，该电路也不适合大电流测量，原因是大电流测量时需要磁芯Cr^度饱和，被测电流越大，磁芯所需的励磁电流也越大，在这种情况下励磁电流的波形呈尖峰状，导致滤波电路设计难度增大，成本增加，甚至可能会引入新的测量误差。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种应用低成本数字电路(如单片机、ARM、DSP或FPGA)，通过测量由非线性互感器和比较器构成的RL多谐振荡器的激磁电压的占空比进行直流大电流测量的准数字式新型电流传感器，基本原理如图2所示。
[0006]该传感器主要由RL多谐振荡器电路A2、稳压管桥式限幅电路B2、波形整形电路C2和数字占空比检测电路D2四部分构成。其中，RL多谐振荡器由非线性互感器T、电压比较器CMP及其外围无源元件采样电阻Rs、比较器门限电压设置电阻RjP R2构成。非线性互感器由具有高磁导率的镯环形磁芯Ct和副边绕组Ws构成，其原边绕组W P通常为单匝穿心导线，使用时与被测系统连接。Rc为副边绕组的内阻，当Rs取值较小时(大电流测量时通常如此)R。对电路的影响不可忽略。电阻R郴R2用于设置电压比较器的门限电压V th，而电阻Rs用于将互感器副边激磁电流i Μ转换为电压V 3用于和门限电压V thffl比较。互感器副边绕组匝数、采样电阻和门限电压设置电阻的取值需要根据最大被测电流、磁芯饱和电流以及副边绕组激磁电压Vrai的大小进行设计。正常工作时，该电路构成自激振荡器。假设非线性互感器T的副边绕组Ws的激磁电压Vrai正负对称，当原边被测电流I P为零时，由于磁芯磁化曲线的对称性，磁芯达到正向和反向饱和所需的时间相等，因此激磁电压Vex的占空比为50% ;当原边被测电流Ip为正时(电流方向如图2所示)，磁芯C冲将产生恒定磁通，该恒定磁通在激磁电压Vex为正时(方向如图1所示)阻碍磁芯正向饱和，而在激磁电压Vex为负时帮助磁芯负向饱和，由于磁芯磁化曲线的高度非线性，磁芯达到正向饱和所需的时间将大于达到负向饱和所需的时间，从而使得激磁电压Vrai的占空比大于50%;当原边被测电流Ip为负时，情况正好相反，激磁电压Vex的占空比小于50%。因此，通过测量激磁电压Nex的占空比可以判断原边电流的有无和方向。此外，激磁电压V Μ的占空比与原边被测电流存在线性关系，该线性关系可用一个简单的一次方程进行描述。
[0007]但是，该RL多谐振荡器Α2对激磁电压Vex的对称性要求严格。激磁电压V ex的对称性越差，传感器的零点偏差也越大。解决该问题的方法是应用如图2所示的稳压管桥式限幅电路B2。这样，RL多谐振荡器A2激磁电压Vex的对称性由限幅电路的输出电压的对称性决定。同时，正负对称的激磁电压信号在限幅电路的某一节点变成正负不对称的脉冲信号Vb，该脉冲信号经过一个由高速MOSFET开关管和齐纳稳压管构成的简单波形整形电路C2后即可变为可由数字占空比检测器D2直接进行测量的正脉冲信号，其中数字占空比检测器可由单片机、ARM、DSP或FPGA处理器中的一种构成。
[0008]实际中，除了可应用占空比-被测电流的理论方程外还可以应用占空比-被测电流的实验拟合方程。具体做法是将已知电流和其对应的占空比应用最小二乘法进行拟合，然后将拟合方程写入占空比检测器D2进行占空比和电流的换算。实验证明，由占空比-被测电流理论方程和一阶拟合方程构成的传感器的线性度满量程内优于3%。提高线性度的方法是应用本发明提供的最小二乘多项式拟合法。
【附图说明】
[0009]为了更清楚地说明本发明实施例，以下将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，以下描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它实施例及其附图。
[0010]图1是现有的单磁芯RL多谐振荡器直流电流传感器原理框图；
[0011]图2是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器原理框图；
[0012]图3是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器具体实施例的电路图；
[0013]图4是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的线性度与多项式拟合阶数的关系图；
[0014]图5是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的占空比-被测电流线性关系的实验结果；
[0015]图6是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器应用理论方程、一阶拟合方程和五阶拟合方程的线性度对比实验结果。
【具体实施方式】
[0016]以下将结合附图对本发明的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
[0017]图2是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的原理框图，与图1所示现有技术比较，本发明除了电路结构上不需要现有技术中的低通滤波器和A/D转换器外，检测原理与现有方法相比完全不同。基本原理是，由单个高磁导率磁芯(Ct)构成非线性互感器(T)，互感器的副边绕组(Ws)与电压比较器(CMP)构成多谐振荡器；当非线性互感器原边电流(Ip)为零时，其副边绕组激磁电压(Vrai)的占空比为50% ;当原边电流不为零时，副边绕组激磁电压的占空比发生变化(大于或小于50% )，此时占空比的大小取决于原边电流的大小和方向且与原边电流呈近似线性关系；该激磁电压(正负脉冲信号)经过稳压管桥式限幅电路、波形整形电路后变为可供数字占空比检测电路(如单片机、ARM、DSP或FPGA)直接检测的正脉冲信号(Vc)，通过检测该脉冲信号的占空比即可判断原边电流的大小和方向。即图1所示现有方法是通过检测副边绕组的激磁电流U的平均值来判断原边电流I P的大小和方向，而本发明是通过检测副边绕组的激磁电压Vrai的占空比来判断原边电流的大小和方向。
[0018]本发明提供了一种单磁芯准数字式直流大电流传感器，由RL多谐振荡器A2，稳压管桥式限幅电路B2，波形整形电路C2和数字占空比检测电路D2构成。
[0019]图3是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的一个具体实施例的电路图；其中RL多谐振荡器A3由非线性互感器T、电压比较器CMP、电流缓冲器Buffer