电流测量电路的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种电流测量电路，包括电流传感器，电流传感器设置有至少一个线圈；线圈为导线按一定方向绕制成的中空管状结构。因为线圈中没有铁芯材料，所以不会出现磁饱和现象，电流传感器输出的感应电压始终与被测电流成线性关系，解决了现有的非接触式电流测量装置因为存在磁饱和现象而在测量较大电流时无法准确测量的问题。同时，避免了现有的非接触式电流测量装置在进行大电流测量时因为高磁导率的铁芯在磁场中被磁化为一个磁体而被交变磁场力作用产生强烈震动而对设备和人员安全造成的影响。并且本申请公开的电流测量电路不使用铁芯材料，也可以在一定程度上降低制造成本。
【专利说明】电流测量电路
【技术领域】
[0001] 本申请涉及电流测量技术，更具体地说，涉及一种电流测量电路。
【背景技术】
[0002] 非接触式电流测量装置的基本原理是使用电流传感器得到感应电流，后端采样电 路通过测量感应电流的强度推算出被测电流值。现有的非接触式电流测量装置中的电流传 感器主要有铁芯+霍尔元件式和铁芯+线圈式，其共同特点是：都使用硅钢或坡莫合金等高 磁导率材料制成的铁芯作为被测电流磁场的磁通回路。
[0003] 对于一定形状、体积的铁芯来说，其汇聚磁场的能力是有限的，通过其中磁通会有 一个极限值，即会出现磁饱和现象；当被测电流产生的磁场小于这个极限值时，电流传感器 输出的感应电压与被测电流成线性关系；但当被测电流产生的磁场强度大于这个极限值， 铁芯出现磁饱和现象后，铁芯中的磁场不再随被测电流磁场的变化而变化，导致传感器输 出的感应电压与被测电流的线性关系出现失真，电流传感器输出的感应电压不再反映实际 被测电流的大小，此时非接触式电流测量装置无法准确测量电流。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本申请提供一种电流测量电路，以解决现有的非接触式电流测量装置 因为有磁饱和现象而在测量较大电流时而无法准确测量的问题。
[0005] 为了实现上述目的，现提出的方案如下：
[0006] 一种电流测量电路，包括：电流传感器；
[0007] 电流传感器设置有至少一个线圈；
[0008] 线圈为导线按一定方向绕制成的中空管状结构。
[0009] 优选的，还包括非导磁性支撑体；
[0010] 非导磁性支撑体设置在线圈内且沿线圈轴线方向。
[0011] 优选的，电流传感器还包括采样电阻；其中：
[0012] 线圈的一端接地，另一端作为电流传感器的输出端，并通过采样电阻接地。
[0013] 优选的，还包括放大电路、滤波电路、整流电路和模数转换电路；其中：
[0014] 电流传感器的输出端与放大电路的输入端相连接；
[0015] 放大电路的输出端与滤波电路电路的输入端相连接；
[0016] 滤波电路的输出端与整流电路的输入端相连接；
[0017] 整流电路的输出端与模数转换电路的输入端相连接。
[0018] 优选的，放大电路包括第一运算放大器、第一输入电阻、可调电阻、第一输出电阻、 第一非极性电容；其中：
[0019] 第一输入电阻的一端作为放大电路的输入端，第一输入电阻的另一端与第一运算 放大器的正相输入端相连接，第一运算放大器的输出端作为放大电路的输出端；
[0020] 第一运算放大器的正相输入端通过第一非极性电容接地；
[0021] 第一运算放大器的反相输入端与输出端通过第一输出电阻相连接，并通过可调电 阻接地。
[0022] 优选的，滤波电路包括第二运算放大器、第二输入电阻、第三输入电阻、第二输出 电阻、第三输出电阻、第二非极性电容和第三非极性电容；其中：
[0023] 第二输入电阻的一端作为滤波电路的输入端，另一端与第二运算放大器的正相输 入端通过第三输入电阻相连接，并与第二运算放大器的输出端通过第三非极性电容相连 接；
[0024] 第二运算放大器的正向输入端通过第二非极性电容接地；
[0025] 第二运算放大器的反相输入端通过第二输出电阻接地，并与第二运算放大器的输 出端通过第三输出电阻相连接；
[0026] 第二运算放大器的输出端作为滤波电路的输出端。
[0027] 优选的，整流电路包括第三运算放大器、第四输出电阻、第五输出电阻、第六输出 电阻、第七输出电阻、第八输出电阻、第四非极性电容、第五非极性电容、第一极性电容、第 二极性电容、第三极性电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管；其中：
[0028] 第三运算放大器的正相输入端作为整流电路的输入端；
[0029] 第三运算放大器的反相输入端与输出端通过第五非极性电容相连接；
[0030] 第三运算放大器的反相输入端与第一极性电容的负极和第四输出电阻的一端相 连接；第四输出电阻的另一端与第五输出电阻的一端相连接，与第一二极管的正极相连接， 并且通过第四非极性电容接地；第五输出电阻的另一端与第三运算放大器的输出端相连 接；
[0031] 第一极性电容正极通过第八输出电阻接地；
[0032] 第二极性电容的负极与第三运算放大器的输出端相连接，第二极性电容的正极与 第三二极管的正极相连接，并与第二二极管的负极相连接；
[0033] 第七输出电阻的一端与第三二极管的负极相连接，另一端与第一极性电容的负极 相连接，并与第二二极管的正极相连接；
[0034] 第六输出电阻一端与第三二极管的负极相连接，另一端与第三极性电容的正极相 连接，并作为整流电路的输出端；第三极性电容的负极接地；
[0035] 优选的，整流电路包括AD737芯片、第四极性电容、第五极性电容和第六极性电 容；其中：
[0036] AD737芯片的第1脚连接到第六极性电容的正极；第六极性电容的负极接地；
[0037] AD737芯片的第2脚作为真有效值整流电路的输入端；
[0038] AD737芯片的第4脚与第四极性电容的负极相连接；
[0039] AD737芯片的第5脚与第四极性电容的正极相连接；
[0040] AD737芯片的第6脚作为整流电路的输出端，并与第五极性电容的负极相连接；第 五极性电容的正极接地；
[0041] AD737芯片的第8脚接地；
[0042] 从上述的技术方案可以看出，本申请中的电流测量电路的电流传感器设置的线圈 中没有铁芯材料，因此不会出现磁饱和现象，电流传感器输出的感应电压始终与被测电流 成线性关系，避免了了现有的非接触式电流测量装置因为存在磁饱和现象而在测量较大电 流时无法准确测量的问题。
[0043] 另外，现有的非接触式电流测量装置中在进行大电流(大于1000安交流有效值） 时，高磁导率的铁芯在磁场中很容易被磁化为一个磁体，在交变的磁场力作用下会产生强 烈的震动，被测电流越大，震动越强，对设备和人员的安全会造成很大的影响，而本申请中 提供的电流测量电路因为不使用铁芯材料，所以可以避免这个问题。同时，因为本申请中不 使用铁芯材料，也可以在一定程度上降低制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0044] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0045] 图1为本申请实施例提供的一种电流测量电路的框图；
[0046] 图2为本申请实施例提供的一种电流传感器的电路图；
[0047] 图3为本申请实施例提供的一种放大电路的电路图；
[0048] 图4为本申请实施例提供的一种滤波电路的电路图；
[0049] 图5为本申请实施例提供的一种整流电路的电路图；
[0050] 图6为本申请实施例提供的另一种整流电路的电路图；
【具体实施方式】
[0051] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本申请保护的范围。
[0052] 图1为本申请实施例提供的一种电流测量电路的框图
[0053] 如图1所示的测量电路包括：电流传感器101、放大电路102、滤波电路103、整流 电路104和模数转换电路105 ;其中电流传感器101的输出端与放大电路102的输入端相 连接，放大电路102的输出端与滤波电路103电路的输入端相连接，滤波电路103的输出端 与整流电路104的输入端相连接，整流电路104的输出端与模数转换电路105的输入端相 连接；
[0054] 电流传感器101产生的交流信号经过放大电路102放大、滤波电路103的滤波后 经整流电路104转换为直流信号，再经模数转换电路105转换成数字信号，数字信号可以输 入到MCU，MCU按预先设定的比例得到被测电流的有效值并进行相应的误差修正，最后通过 显示单元把测量值显示出来，完成测量的整个流程。
[0055] 电流传感器101的作用是用来感应被测导线的磁场，产生感应电压；图2为本申请 实施例提供的一种电流传感器的电路图。
[0056] 如图2所示的电流传感器包括：线圈L、采样电阻rl。其中线圈L的一端接地，另 一端作为电流传感器101的输出端Vlout，并通过采样电阻rl接地。
[0057] 电流传感器工作时，线圈L将被测导线200包围，使被测导线的磁场穿过线圈L，线 圈L产生感应电流，感应电流流经采样电阻rl产生感应电压并通过输出端Vlout将产生的 感应电压信号输出，以便后端电路对此电压信号进一步的处理。
[0058] 线圈是由导线绕制而成的中空管状结构；有时为了制作方便或者使线圈的结构更 加牢固，可以设置非导磁性支撑体，所谓非导磁性支撑体，是用非导磁性材料制成的用于对 所述线圈起到支撑加固作用的棒状或管状物体。因为空气和非导磁材料的磁导率基本相 等，所以设置支撑体后对线圈的功能基本没有影响，支撑体可以选用塑料或者橡胶等柔性 材料制成，制作时按一定方向将导线缠绕在支撑体上，支撑体两端可以各设置一个较大的 突起物，以防止导线从支撑体两端脱落。使用柔性材料作为支撑体的好处是将制作好的直 形线圈轻易地弯成弧形、u形或者带缺口的圆形，以满足不同外形的电流测量装置，如活动 式钳形电流测量装置或u形卡口电流测量装置。当使用在活动式电流测量装置中时，需要 在装置的活动式钳头的钳头动端和钳头定端各设置一个线圈，这时需要将绕制方向相同的 两个线圈首尾相连接，具体为，将两个绕制方向相同的线圈都垂直于桌面放置，位于上部一 端可以看为首部，另一端为尾部，接线时其中一个线圈的首部作为线圈组的一个输出端，尾 部与另一个线圈的首部相连接，另一个线圈的尾部作为线圈组的另一个输出端，这样两个 线圈产生的感应电压叠加在一起，可以提高输出的效果。导线的直径和线圈的匝数需要根 据所使用的环境选择。
[0059] 由于线圈中没有铁芯对被测导线周围的磁场进行汇聚，其所感应的磁场仅是被测 导线磁场的一部分，因此采用这种线圈作为感应部件的电流传感器产生的电压信号一般为 毫伏级的交流小信号，为了便于后端的信号处理和采样，需对其产生的信号进行放大，图3 为本申请实施例提供的一种放大电路的电路图。
[0060] 如图3所不放大电路包括：第一运算放大器ul、第一非极性电容cl、第一输入电阻 r2、第一输出电阻r3和可调电阻r4 ;第一输入电阻r2的一端作为放大电路的输入端V2in， 另一端与第一运算放大器ul的正相输入端相连接；第一运算放大器ul的输出端与输出端 通过第一输出电阻r3相连接，并作为放大电路的输出端V2out ;第一运算放大器ul的正相 输入端通过第一非极性电容cl接地；第一运算放大器ul的反向输入端通过可调电阻r4接 地；可调电阻r4可以用来对放大电路的增益进行调节；
[0061] 放大电路对电流传感器输出的交流小信号进行放大，并可以通过可调电阻r4调 节放大倍数，以满足后端电路处理和采样的需求。
[0062] 线圈本质上是一个电感，当被测电流的有效值不变而频率变化时，其感应出的电 压信号也会变化，频率越高，感应电压越大，这样就会导致测量有效值实质相同而频率不同 的信号时实际测得的电流值不一致的问题。由于一般工频信号的频率集中在50-60HZ，因此 为了解决被测电流实质相同而实际测得数值不同的问题，以满足在一般工频范围内测量值 的准确性，需要对放大后的交流电压信号进行滤波处理，图4为本申请实施例提供的一种 滤波电路的电路图。
[0063] 如图4所示的滤波电路包括：第二运算放大器u2、第二输入电阻r5、第三输入电阻 r6、第二输出电阻r7、第三输出电阻r8、第二非极性电容c2和第三非极性电容c3。
[0064] 其中第二输入电阻r5的一端作为滤波电路的输入端V3in，另一端通过第三输入 电阻r6与第二运算放大器u2的正相输入端相连接，并通过第三非极性电容c3与第二运算 放大器u2的输出端相连接；第二运算放大器u2的正向输入端通过第二非极性电容c2接 地；第二运算放大器u2的反相输入端通过第三输出电阻r8与第二运算放大器u2的输出端 相连接，并通过第二输出电阻r7接地；第二运算放大器u2的输出端作为滤波电路的输出端 V3out〇
[0065] 第二运算放大器u2、第一输入电阻r5、第二输入电阻r6、第二非极性电容c2和第 三非极性电容c3构成二阶有源低通滤波电路，在被测电流值实际一致的情况下，使60Hz频 率时偏大的测量值衰减下来能够与50Hz频率时的测量值相一致。信号经过低通滤波后会 有不同程度的衰减，可以通过调节第二输出电阻r7和第三输出电阻r8的比例来实现低通 滤波后信号的增益，抵消之前衰减的部分。
[0066] 经过滤波电路调整后的电压信号还是一个交流信号，为了使后面的采样更简单， 需要使用整流电路将交流信号转换为直流电压，根据产品的不同需求，可以选择成本较低 的平均值整流电路或者真有效值整流电路。图5为本申请实施例提供的一种整流电路的电 路图，这种电路为成本较低的平均值整流电路；
[0067] 如图5所示的整流电路包括：第三运算放大器u3、第四输出电阻r9、第五输出电阻 rlO、第六输出电阻rll、第七输出电阻rl2、第八输出电阻rl3、第四非极性电容c4、第五非 极性电容c5、第一极性电容c6、第二极性电容c7、第三极性电容c8、第一二极管dl、第二二 极管d2、第三二极管d3 ;
[0068] 其中第三运算放大器u3的正相输入端作为整流电路的输入端V4in ;第三运算放 大器u3的反相输入端与输出端通过第四非极性电容c4相连接；第三运算放大器u3的反相 输入端与第一极性电容c6的负极和第四输出电阻r9的一端相连接；第四输出电阻r9的 另一端与第五输出电阻rlO的一端和第一二极管dl的正极相连接，并通过第四非极性电容 c4接地，第五输出电阻rlO的另一端与第三运算放大器u3的输出端相连接；第一极性电容 c6的正极通过第八输出电阻rl3接地；第二极性电容c7的负极与第三运算放大器u3的输 出端相连接，正极与第三二极管d3的正极和第二二极管d2的负极相连接；第七输出电阻 rll2的一端与第三二极管d3的负极相连接，另一端与第一极性电容c6的负极、第二二极管 d2的正极相连接；第六输出电阻rll 一端与第三二极管d3的负极相连接，另一端与第三极 性电容c8的正极相连接；第三极性电容c8的负极接地；第三极性电容c8的正极作整流电 路的输出端V4out。
[0069] 图6为本申请实施例提供的另一种整流电路，这是一种真有效值整流电路，成本 相对较高；
[0070] 如图6所示的整流电路包括：AD737芯片、第四极性电容c9、第五极性电容c 10和 第六极性电容cl 1 ;
[0071] 其中，AD737芯片的第1脚与第六极性电容cl 1的正极相连接；第六极性电容cl 1 的负极接地；AD737芯片的第2脚作为整流电路的输入端V4in ;AD737芯片的第4脚与第四 极性电容c9的负极相连接；AD737芯片的第5脚与第四极性电容c9的正极相连接；AD737 芯片的第6脚作为整流电路的输出端，并与第五极性电容clO的负极相连接；第五极性电容 clO的正极接地；AD737芯片的第8脚接地。
[0072] 从以上实施例提供的技术方案可以看出，本申请中的电流测量电路的电流传感器 采用的线圈中没有铁芯材料，因此不会出现磁饱和现象，电流传感器输出的感应电压始终 与被测电流成线性关系，解决了现有的非接触式电流测量装置因为存在磁饱和现象而在测 量较大电流时无法准确测量的问题。
[0073] 另外，现有的非接触式电流测量装置中在进行大电流(大于1000安交流有效值） 时，高磁导率的铁芯在磁场中很容易被磁化为一个磁体，在交变的磁场力作用下会产生强 烈的震动，被测电流越大，震动越强，对设备和人员的安全会造成很大的影响，而本申请中 提供的电流测量电路因为不使用铁芯材料路，所以可以避免这个问题。同时，因为本申请中 不使用铁芯材料，也可以在一定程度上降低制造成本。
[0074] 以上电路的全部或一部分可以应用到电流测量仪器仪表或大型设备中，通过以上 电路测得的电流可以直接通过指针或显示器显示，供电力操作人员对电路进行监测；或者 应用在大型设备中，根据所测得的电流值完成电路保护或者其他操作。
[0075] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作 之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体 意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括 那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或 者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并 不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0076] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0077] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【权利要求】
1. 一种电流测量电路，其特征在于：包括电流传感器； 所述电流传感器设置有至少一个线圈； 所述线圈为导线按一定方向绕制成的中空管状结构。
2. 如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于：还包括非导磁性支撑体； 所述非导磁性支撑体设置在所述线圈内且沿所述线圈轴线方向。
3. 如权利要求1或2所述的测量电路，其特征在于：所述电流传感器还包括采样电阻； 其中： 所述线圈的一端接地，另一端作为所述电流传感器的输出端，并通过所述采样电阻接 地。
4. 如权利要求3所述的电流测量电路，其特征在于：还包括放大电路、滤波电路、整流 电路和模数转换电路；其中： 所述电流传感器的输出端与所述放大电路的输入端相连接； 所述放大电路的输出端与所述滤波电路电路的输入端相连接； 所述滤波电路的输出端与所述整流电路的输入端相连接； 所述整流电路的输出端与所述模数转换电路的输入端相连接。
5. 如权利要求4所述的电流测量电路，其特征在于：所述放大电路包括第一运算放大 器、第一输入电阻、可调电阻、第一输出电阻、第一非极性电容；其中： 所述第一输入电阻的一端作为所述放大电路的输入端，所述第一输入电阻的另一端与 所述第一运算放大器的正相输入端相连接，所述第一运算放大器的输出端作为放大电路的 输出端； 所述第一运算放大器的正相输入端通过第一非极性电容接地； 所述第一运算放大器的反相输入端与输出端通过第一输出电阻相连接，并通过所述可 调电阻接地。
6. 如权利要求4所述的电流测量电路，其特征在于：所述滤波电路包括第二运算放大 器、第二输入电阻、第三输入电阻、第二输出电阻、第三输出电阻、第二非极性电容和第三非 极性电容；其中： 所述第二输入电阻的一端作为所述滤波电路的输入端，另一端与所述第二运算放大器 的正相输入端通过所述第三输入电阻相连接，并与所述第二运算放大器的输出端通过所述 第三非极性电容相连接； 所述第二运算放大器的正向输入端通过所述第二非极性电容接地； 所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第二输出电阻接地，并与所述第二运算放 大器的输出端通过第三输出电阻相连接； 所述第二运算放大器的输出端作为所述滤波电路的输出端。
7. 如权利要求4所述的电流测量电路，其特征在于：所述整流电路包括第三运算放 大器、第四输出电阻、第五输出电阻、第六输出电阻、第七输出电阻、第八输出电阻、第四非 极性电容、第五非极性电容、第一极性电容、第二极性电容、第三极性电容、第一二极管、第 二二极管、第三二极管；其中： 所述第三运算放大器的正相输入端作为所述整流电路的输入端； 所述第三运算放大器的反相输入端与输出端通过所述第五非极性电容相连接； 所述第三运算放大器的反相输入端与所述第一极性电容的负极和所述第四输出电阻 的一端相连接；所述第四输出电阻的另一端与所述第五输出电阻的一端相连接，与所述第 一二极管的正极相连接，并且通过所述第四非极性电容接地；所述第五输出电阻的另一端 与所述第三运算放大器的输出端相连接； 所述第一极性电容正极通过所述第八输出电阻接地； 所述第二极性电容的负极与所述第三运算放大器的输出端相连接，所述第二极性电容 的正极与所述第三二极管的正极相连接，并与所述第二二极管的负极相连接； 所述第七输出电阻的一端与所述第三二极管的负极相连接，另一端与所述第一极性电 容的负极相连接，并与所述第二二极管的正极相连接； 所述第六输出电阻一端与所述第三二极管的负极相连接，另一端与所述第三极性电容 的正极相连接，并作为所述整流电路的输出端；所述第三极性电容的负极接地。
8.如权利要求4所述的电流测量电路，其特征在于：所述整流电路包括AD737芯片、第 四极性电容、第五极性电容和第六极性电容；其中： 所述AD737芯片的第1脚连接到所述第六极性电容的正极；所述第六极性电容的负极 接地； 所述AD737芯片的第2脚作为所述真有效值整流电路的输入端； 所述AD737芯片的第4脚与所述第四极性电容的负极相连接； 所述AD737芯片的第5脚与所述第四极性电容的正极相连接； 所述AD737芯片的第6脚作为所述整流电路的输出端，并与所述第五极性电容的负极 相连接；所述第五极性电容的正极接地； 所述AD737芯片的第8脚接地。
【文档编号】G01R19/25GK104101775SQ201310113598
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月2日 优先权日:2013年4月2日
【发明者】赵辉, 谢添富, 严继东, 李炳英, 周利勤 申请人:优利德科技(中国)有限公司