专利名称：具有自动校准功能的杂散电流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电学测量领域，涉及一种城市地铁和轻轨杂散电流传感器，具体涉及一种能实现自动校准功能的杂散电流监测传感器。
背景技术：
城市地铁和轻轨系统的供电通常采用直流供电，利用钢轨作为返回线，非常容易产生杂散电流，但是杂散电流难以直接测量，一般采用间接测量的办法来反映杂散电流的腐蚀情况。地铁系统结构钢与金属设备受杂散电流腐蚀的危险性指标，是由结构钢表面流向周围电解质的电流密度和由此引起的电位极化来确定的。而电流密度难以直接测量，只有通过测量电位极化偏移来判断，目前世界各国对地铁杂散电流采用的监测方法一般都是基于极化电压监测的方法，在地铁建设初期埋设永久性参比电极，通过杂散电流传感器测量埋地金属结构与参比电极之间的电位差来反映地铁杂散电流的扰动情况以及腐蚀情况。 根据测量到的数据和相关标准来控制排流柜进行杂散电流的排流。因此，对数据的测量精度直接影响到排流的科学与否。在数据测量过程中，一方面元器件和电路板带来的系统误差将影响数据的测量精度；另一方面更为严重的是，由于杂散电流系统数据采集装置安装在户外，且常年运行，一年四季温度变化范围大，电路参数随温度变化带来的误差将严重影响数据的测量精度。目前相关产品都没有考虑在数据采集电路中增加自动校准功能，消除电路的系统误差和温漂带来的测量误差。因此，设计一种具有自动校准功能的杂散电流传感器对提高地铁杂散电流测量精度，实现科学排流具有重要的意义。
发明内容本实用新型的目的是提出一种具有自动校准功能的杂散电流传感器，减小现有杂散电流监测系统中由于温度的变化和电路系统误差造成的测量误差。本实用新型所采用的技术方案是，具有自动校准功能的杂散电流传感器，包括将被测信号与内部电路进行隔离的信号隔离电路、将隔离后的信号进行滤波和缩放的信号调理电路、将各个不同温度下的电路进行自校准的自校准电路、对数据在各温度下进行精度测量的模数转换电路、对数据进行采集和处理的嵌入式微处理器、用于传感器和外界装置之间通信的通信电路，以及将交流电转化为直流电的电源电路；所述信号隔离电路、信号调理电路、自校准电路、模数转换电路、嵌入式微处理器和通信电路依次连接，电源电路与该六种电路分别连接。其中，电源电路包括依次连接的电磁兼容保护电路、整流电路、滤波电路和线性稳压电路；电磁兼容保护电路用于提高电路的抗干扰能力，整流电路和滤波电路用于实现交流电压到直流电压的转换，线性稳压电路用于为传感器提供各种稳压电压。其中，信号隔离电路包括相连接的信号电磁兼容保护电路和线性隔离电路；信号电磁兼容保护电路用于提高电路的抗干扰能力，线性隔离电路用于被测信号与内部电路的隔尚°[0007]其中，信号调理电路包括相连接的滤波电路和放大电路。其中，自校准电路由基于多路开关的电路构成，模数转换电路的两端分别与自校准电路的引脚3及引脚13连接。进一步，模数转换电路为12位双极性高性能低漂移芯片高速A/D转换器。其中，通信电路包括依次连接的隔离电路、通信接口电路和通信保护电路；隔离电路用于通信线上的干扰信号和传感器内部电路的隔离，通信接口电路用于完成各种通信接口的电气转换，通信保护电路用于保护通信线的EMC。本实用新型的有益效果是在各电路板制作调试完成后采用命令的方式对传感器进行理论值和实测值之间的校准，消除了元器件和电路板带来的系统误差，对数据自动定期进行温度校准消除了电路中运放在各温度下的失调电压，减小了电路参数受温度的影响带来的测量误差，实现了杂散电流监测的自动校准功能和数据的高精度测量。
图1是本实用新型具有自校准功能的杂散电流传感器电路结构示意图；图2是本实用新型电源电路结构框图；图3是本实用新型信号隔离电路结构框图；图4是本实用新型信号调理电路结构框图；图5是本实用新型自校准电路结构示意图；图6是本实用新型通信电路结构框图。图中，1.信号隔离电路，2.信号调理电路，3.自校准电路，4.模数转换电路，5.嵌入式微处理器，6.通信电路，7.电源电路，8.电磁兼容保护电路，9.整流电路，10.滤波电路，11.线性稳压电路，12.信号电磁兼容保护电路，13.线性隔离电路，14.滤波电路，15.放大电路，16.隔离电路，17.通信接口电路，18.通信保护电路。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式
对本实用新型进行详细说明。如图1所示，本实用新型提供一种具有自动校准功能的杂散电流传感器，包括依次连接的信号隔离电路1、信号调理电路2、自校准电路3、模数转换电路4、嵌入式微处理器 5和通信电路6 ；该杂散电流传感器还包括电源电路7，电源电路7分别与信号隔离电路1、 信号调理电路2、自校准电路3、模数转换电路4、嵌入式微处理器5、通信电路6相连接，为上述六种电路模块提供工作电源。电源电路7主要是负责将沿地铁走行轨提供的220V交流电源转化成本实用新型传感器工作时需要的各路稳压直流电压值。如图2所示，电源电路7包括依次连接的电磁兼容(EMC)保护电路8、整流电路9、滤波电路10和线性稳压电路11 ；整流电路9和滤波电路10实现交流电压到直流电压的转换，线性稳压电路11提供本实用新型传感器内部电路工作需要的各种稳压电压。另外，为了消除外部环境对供电电源电路7产生的干扰，提高电路的抗干扰能力，电源电路7中还设有电磁兼容(EMC)保护电路8。如图3所示，信号隔离电路1实现被测信号与内部电路的隔离，防止外部信号对内部电路的干扰，因此信号隔离电路1包括相连接的信号电磁兼容(EMC)保护电路12和线性隔离电路13。隔离后的信号进入本实用新型传感器内部电路后通过信号调理电路2进行滤波和信号的缩放，以满足后面模数转换电路4要求的输入量程范围，因此信号调理电路2包括相连接的滤波电路14和放大电路15，如图4所示。自校准电路3是为了实现各个不同温度下电路的自校准功能而增加的电路模块。 如图5所示，它由基于多路开关的电路构成，多路开关的两路输入信号为经信号调理电路2 调理后的被测信号和“地”信号，当电路处于正常测量模式时，控制多路开关选通被测信号， 当电路处于校准模式时，控制多路开关选通“地”信号。模数转换电路4采用12位双极性高性能低漂移芯片高速A/D转换器，来实现数据在各温度下的高精度测量，使电路整体测量精度可达到0. 5%。模数转换电路4的两端分别与自校准电路3的引脚3及引脚13连接。嵌入式微处理器5主要功能是负责数据采集、数据处理以及通信等各项控制任务。通信电路6主要负责本实用新型传感器与监测系统中其它装置如转接器、监测装置等之间的通信，可采用串口通信、CAN总线通信或者以太网通信。通信电路6包括依次连接的隔离电路16、通信接口电路17和通信保护电路18，如图6所示。隔离电路16是为了防止通信线上的干扰信号对传感器内部电路产生影响而设置的，通信接口电路17完成各种通信接口的电气转换，通信保护电路18实现通信线的EMC保护。利用本实用新型杂散电流传感器进行杂散电流数据测量自校准的方法为步骤1，电路板制作完成后，正式投入运行前，在输入信号端依次施加若干个测量范围内已知的电压信号，每次通过通信接口电路17从计算机上给嵌入式微处理器5发送测量电压的命令，并告知其理论值，通过嵌入式微处理器5中的软件进行命令解析，得到各电压值对应的实际测量值，并求出其与理论值的差，将各个差值进行平均，得到一个平均偏差值，将其存储在嵌入式微处理器5的存储器中，在以后每次的正常信号测量中减去该平均偏差值，得到计算出的测量值，以消除电路的系统误差。步骤2，在进行正常测量的过程中，自校准电路3工作在正常测量模式，每间隔一段时间(如可以以30分钟为一个时间单元)，将自校准电路3切换到校准模式，计算出当前温度状态下的校准值，在计算实际测量值时，将步骤1中计算出的测量值减去该校准值作为当前温度下的最终计算值。自校准电路3采用基于多路开关的电路结构，当电路处于正常测量模式时，控制多路开关接通被测信号通道，经模数转换电路4转换后，嵌入式微处理器5采集到的是调理后的被测信号值，按照步骤1的方法可以得到计算出的测量值；当电路处于校准模式时，控制多路开关接通电路中的“地”信号，嵌入式微处理器5采集到的是OV电压值，同样按照步骤1的方法可以得到OV电压对应的计算出的测量值，这个值就是当前温度下的校准值，采用步骤2的方法可以得到各温度下的最终计算值。本实用新型在各电路板制作调试完成后采用命令的方式对传感器进行理论值和实测值之间的校准，消除了元器件和电路板带来的系统误差；对数据自动进行定期温度校准，消除了电路中运放在各温度下的失调电压，减小了电路参数受温度的影响带来的测量误差，实现了杂散电流监测的自动校准功能和数据的高精度测量。
权利要求1.具有自动校准功能的杂散电流传感器，其特征在于包括将被测信号与内部电路进行隔离的信号隔离电路(1)、将隔离后的信号进行滤波和缩放的信号调理电路O)、将各个不同温度下的电路进行自校准的自校准电路C3)、对数据在各温度下进行精度测量的模数转换电路G)、对数据进行采集和处理的嵌入式微处理器(5)、用于传感器和外界装置之间通信的通信电路(6)，以及将交流电转化为直流电的电源电路(7)；所述信号隔离电路(1)、 信号调理电路O)、自校准电路(3)、模数转换电路G)、嵌入式微处理器(5)和通信电路 (6)依次连接，电源电路(7)与该六种电路分别连接。
2.根据权利要求1所述的杂散电流传感器，其特征在于所述电源电路(7)包括依次连接的电磁兼容保护电路(8)、整流电路(9)、滤波电路(10)和线性稳压电路(11)；电磁兼容保护电路⑶用于提高电路的抗干扰能力，整流电路(9)和滤波电路(10)用于实现交流电压到直流电压的转换，线性稳压电路(11)用于为传感器提供各种稳压电压。
3.根据权利要求1所述的杂散电流传感器，其特征在于所述信号隔离电路(1)包括相连接的信号电磁兼容保护电路(12)和线性隔离电路(13)；信号电磁兼容保护电路(12) 用于提高电路的抗干扰能力，线性隔离电路(13)用于被测信号与内部电路的隔离。
4.根据权利要求1所述的杂散电流传感器，其特征在于所述信号调理电路( 包括相连接的滤波电路(14)和放大电路(15)。
5.根据权利要求1所述的杂散电流传感器，其特征在于所述自校准电路(3)由基于多路开关的电路构成，模数转换电路(4)的两端分别与自校准电路(3)的引脚3及引脚13 连接。
6.根据权利要求5所述的杂散电流传感器，其特征在于所述模数转换电路(4)为12 位双极性高性能低漂移芯片高速A/D转换器。
7.根据权利要求1所述的杂散电流传感器，其特征在于所述通信电路(6)包括依次连接的隔离电路(16)、通信接口电路(17)和通信保护电路(18)；隔离电路(16)用于通信线上的干扰信号和传感器内部电路的隔离，通信接口电路(17)用于完成各种通信接口的电气转换，通信保护电路(18)用于保护通信线的EMC。
专利摘要本实用新型提供一种具有自动校准功能的杂散电流传感器，包括将被测信号与内部电路进行隔离的信号隔离电路、将隔离后的信号进行滤波和缩放的信号调理电路、将各个不同温度下的电路进行自校准的自校准电路、对数据在各温度下进行精度测量的模数转换电路、对数据进行采集和处理的嵌入式微处理器、用于传感器和外界装置之间通信的通信电路，以及将交流电转化为直流电的电源电路；信号隔离电路、信号调理电路、自校准电路、模数转换电路、嵌入式微处理器和通信电路依次连接，电源电路与该六种电路分别连接。有益效果是实现了杂散电流监测的自动校准功能和数据的高精度测量。
文档编号G01R35/00GK202041578SQ20112001505
公开日2011年11月16日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者刘宏泰, 吴江, 杨媛, 陈亮, 高勇 申请人:西安理工大学