一种交直流电流传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种交直流电流传感器，其包括：高导磁变压器单元、激励信号发生单元、直流信号检测单元、恢复电路单元、交流信号处理单元以及功率放大单元，其中，所述高导磁变压器单元包括：彼此独立的第一磁芯和第二磁芯；分别绕制在所述第一磁芯和第二磁芯上的第一励磁线圈和第二励磁线圈；第三磁芯，其与所述第一磁芯和第二磁芯叠置在一起，以形成一整体磁芯；以及绕制在所述整体磁芯上的初级线圈、次级线圈和辅助线圈。本发明明显改善了传感器的性能，并且具有功耗低、抗磁干扰能力强、结构简单、重量轻、响应速度快、灵敏度高、互换性好、以及安装、校准、调试、维护均十分方便等优点。
【专利说明】一种交直流电流传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种交直流电流传感器。
【背景技术】
[0002] 在直流输电系统、变频调速装置、UPS电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监 测系统、加速器运行、电网监控系统和需要隔离检测电流的各个领域中，精确检测和控制直 流电流，是设备安全可靠运行的根本保证和首先要解决的问题。
[0003] 目前，用于测量电流的手段包括：电流比较仪、交流互感器、直流互感器、分流器等 电流测量方法和设备，以上不同规格的设备均可在市场上找到。但以上述电流测量方法为 基础的设备往往由于方法本身或使用场合条件、成本限制，而在高精度、宽范围的电流测量 方面显出诸多不足；例如：电流比较仪对被测电流的频率限制在50Hz左右；互感器对被测 电流交流和直流成分具有限制；分流器存在大电流发热严重且不隔离的问题。由此可见，上 述几种测量电流的方法和设备在原理上限制了其测量精度、测量噪声水平等，换句话说，在 高精度、宽范围电流测量方面，上述设备显而易见地不能胜任测量要求。
[0004] 与此同时，现有技术中还出现了 一些以磁光效应和核磁共振等物理效应为基础的 测量电流的设备和方法，其中，磁光效应测量电流的设备可以南瑞航天的NAE-GL系列全光 纤电子式电流互感器为例，然而磁光效应测电流受限于磁光玻璃的双折射效应，因此既降 低了测量精度又增加了设备成本，昂贵的价格使其应用局限于输变电行业。而以核磁共振 为基础的测量电流方法仅仅是用于测量绝对安培时的实验室方法或计量标准，因此并不被 大规模的工业生产所采用。
[0005] 相比而言，变压器式电流互感器由于其具有绝缘强度高、操作可靠、价格低廉等优 点，被广泛大量应用于社会生产实践中。变压器式电流互感器的基本原理为：当激磁安匝 为零时，副边安匝变化能完全反映原边安匝变化，误差为零，此时的磁芯处于"准零磁通"状 态，它工作于磁化曲线的起始段（即线性段），这时，电流互感器输出被形就不会畸变，可保 持良好的线性度，俗称"零磁通"原理。因此，若能使互感器磁芯始终处于零磁通状态，就能 从根本上消除电流互感器的误差。但是，由互感器的工作原理可知，依靠互感器自身是不可 能实现零磁通的，必须靠外界条件的补偿或调整。
[0006] 为此，现有技术中又出现了磁放大器比较仪（以下简称磁放大器）和磁调制器比 较仪（以下简称磁调制器），它们均采用"零磁通状态"原理进行电流测量。然而，磁放大器 由于其结构复杂、笨重，从而限制了其小型化和高精度测量的应用。而常见的磁调制器包括 单磁芯和双磁芯两种，传统的磁调制电流检测要求两个磁芯必须具有相同结构尺寸和完全 一致的磁特性，并且磁调制器的开环特性曲线容易出现虚假平衡点，从而降低了磁调制器 运行的可靠性，因此，限制了磁调制器的应用和推广。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种高精度磁隔离的交直流 电流传感器，以形成"准零磁通状态"，从而实现电流的精确检测。
[0008] 本发明所述的一种交直流电流传感器，其包括：
[0009] 高导磁变压器单元，其包括：
[0010] 彼此独立的第一磁芯和第二磁芯；
[0011] 分别绕制在所述第一磁芯和第二磁芯上的第一励磁线圈和第二励磁线圈；
[0012] 第三磁芯，其与所述第一磁芯和第二磁芯叠置在一起，以形成一整体磁芯；以及
[0013] 绕制在所述整体磁芯上的初级线圈、次级线圈和辅助线圈，其中，所述初级线圈的 匝数为Np，且所述初级线圈接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈 的匝数为Ns，且所述次级线圈输出测得的直流电流或交流电流；
[0014] 激励信号发生单元，其与所述第一励磁线圈以及所述第二励磁线圈连接，以分别 向所述第一励磁线圈和第二励磁线圈提供两个相位差180°的激励电流；
[0015] 直流信号检测单元，其与所述第二励磁线圈连接，以在所述初级线圈接收所述被 测直流电流时，接收所述第二励磁线圈输出的相应的不对称磁化信号，并将该不对称磁化 信号转换为检测电压信号；
[0016] 直流信号处理单元，其与所述直流信号检测单元连接，以接收并对所述检测电压 信号进行相应处理，并输出相应的直流处理信号；
[0017] 恢复电路单元，其与所述直流信号检测单元连接，以接收并将所述检测电压信号 与一预设电压值比较，并输出相应的退磁振荡信号；
[0018] 交流信号处理单元，其与所述辅助线圈连接，以在所述初级线圈接收所述被测交 流电流时，接收所述辅助线圈输出的相应的感应电流信号，并对该感应电流信号进行相应 处理，以输出相应的交流处理信号；以及
[0019] 功率放大单元，其输入端分别与所述直流信号处理单元、恢复电路单元以及交流 信号处理单元连接，其输出端与所述次级线圈连接，从而接收所述直流处理信号，并向所述 次级线圈输出一直流补偿电流，并接收所述退磁振荡信号，向所述次级线圈输出一用于使 所述第二磁芯退磁的退磁电流，或者接收所述交流处理信号，并向所述次级线圈输出一交 流补偿电流，其中，所述直流补偿电流与所述被测直流电流的方向相反并且其电流大小是 该被测直流电流的Np/Ns倍，所述交流补偿电流与所述被测交流电流的方向相反并且其电 流大小是该被测交流电流的Np/Ns倍。
[0020] 在上述的交直流电流传感器中，所述第一励磁线圈的匝数与所述第二励磁线圈的 匝数相同或不同。
[0021] 在上述的交直流电流传感器中，所述激励信号发生单元与所述第一励磁线圈的异 名端连接，并与所述第二励磁线圈的同名端连接。
[0022] 在上述的交直流电流传感器中，所述激励信号发生单元与所述第一励磁线圈的同 名端连接，并与所述第二励磁线圈的异名端连接。
[0023] 在上述的交直流电流传感器中，所述激励信号发生单元包括依次连接的一信号源 以及一信号放大器，其中，所述信号放大器与所述第一励磁线圈以及所述第二励磁线圈连 接。
[0024] 在上述的交直流电流传感器中，所述直流信号检测单元包括：相控门，其输入端接 收所述不对称磁化信号以及一外围输入的相控信号，其输出端依次通过第一电阻和第一电 容接地，其中，所述第一电阻和第一电容的相连端输出所述检测电压信号。
[0025] 在上述的交直流电流传感器中，所述直流信号处理单元包括：第一运算放大器，其 正输入端依次通过第三电阻和第二电阻接收所述检测电压信号，其输出端输出所述直流处 理信号，并依此通过第五电阻和第四电阻接地，其负输入端连接至所述第四电阻与第五电 阻之间，其中，所述第三电阻和第二电阻的相连端通过第二电容接地。
[0026] 在上述的交直流电流传感器中，所述直流信号检测单元包括：第一二极管和第 二二极管，其中，所述第一二极管的正极与第二二极管的负极相连以接收所述不对称磁化 信号，所述第一二极管的负极通过第三电容接地，同时与第六电阻连接，所述第二二极管的 正极通过第四电容接地，同时与第七电阻连接，且所述第六电阻与第七电阻相连以输出所 述检测电压信号。
[0027] 在上述的交直流电流传感器中，所述直流信号处理单元包括：第二运算放大器，其 正输入端通过第八电阻接地，其负输入端通过第九电阻接收所述检测电压信号，其输出端 输出所述直流处理信号，并通过第十电阻连接至该第二运算放大器的负输入端与所述第九 电阻之间，其中，所述第十电阻两端并联有第五电容。
[0028] 在上述的交直流电流传感器中，所述交流信号处理单元包括：第三运算放大器，其 正输入端通过第十一电阻接地，其负输入端通过第十二电阻接收所述感应电流信号，其输 出端输出所述交流处理信号，其中，所述第十二电阻与该第三运算放大器的负输入端的相 连端依次通过第十三电阻和第六电容接地，所述第三运算放大器的负输入端和输出端之间 并联有第十四电阻。
[0029] 在上述的交直流电流传感器中，所述恢复电路单元包括：依次连接的信号比较模 块、多谐波振荡器和信号驱动器，其中，所述信号比较模块接收所述检测电压信号，所述信 号驱动器输出所述退磁振荡信号。
[0030] 在上述的交直流电流传感器中，所述功率放大单元包括：第四运算放大器，其正输 入端通过第十五电阻接地，其负输入端分别通过第十六电阻接收所述交流处理信号、通过 第十七电阻接收所述直流处理信号以及通过第十八电阻接收所述退磁振荡信号，其输出端 与所述次级线圈连接，其中，所述第四运算放大器的负输入端和输出端之间并联有依次连 接的第七电容和第十九电阻。
[0031] 在上述的交直流电流传感器中，所述第一磁芯、第二磁芯和第三磁芯均由高导磁 材料制成。
[0032] 由于采用了上述的技术解决方案，本发明具有以下优点：
[0033] 1、本发明通过调节输入第一、第二励磁线圈的激励电流，在放宽了对各磁芯参数 的要求的基础上（例如，起始磁导率、最大磁导率、磁芯一致性等），同样能获得性能优良的 电流测试品质；
[0034] 2、本发明通过直流信号处理单元或交流信号处理单元来驱动功率放大单元实现 深度负反馈，从而从原理上降低了比例误差、非线性误差，提高了电流检测精度，扩大了电 流检测范围；
[0035] 3、本发明通过采用交流信号处理单元，在第一磁芯、第二磁芯和第三磁芯总截面 相同的情况下，提升了磁芯磁通密度的线性工作区，对产品的小型化具有重要贡献；
[0036] 4、本发明通过激励信号发生单元适当调节输入第一、第二励磁线圈的激励电流， 可以消除激励电流对次级线圈的输出信号的影响，从而降低输出噪声；同时，由于直流或交 流信号处理单元具有补偿作用，因此可根据实际需要灵活调节补偿参数以达到理想要求， 而不需要采用电感对输出信号进行滤波；
[0037] 5、本发明通过采用高磁导材料制成的磁芯作为磁平衡元件，从而可以避免外来磁 场的干扰，提高了电流检测的可靠性；
[0038] 6、本发明的整个电路适用器件均为通用器件，因此便于实现，且本发明中电路和 磁路分开放置，从而可以灵活替换。
[0039] 7、本发明中所需的电流测量值以电流方式输出（S卩，次级线圈输出的是测得的直 流电流或交流电流），因此，可便于根据实际需要变换为电压值（例如通过在次级线圈的输 出端串联一电阻实现变换）。
[0040] 总之，本发明明显改善了传感器的性能（例如，长期稳定性：< 2ppm/24h ;精度 (线性度）：< lOppm ;温度系数< 0· 7ppm/°C ;宽量程：0· lmA-3kA)，并且具有功耗低、抗磁 干扰能力强、结构简单、重量轻、响应速度快、灵敏度高、互换性好、以及安装、校准、调试、维 护均十分方便等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 图1是本发明一种交直流电流传感器的原理框图；
[0042] 图2是本发明中直流信号检测单元的一种电路结构图；
[0043] 图3是本发明中直流信号处理单元的一种电路结构图；
[0044] 图4是本发明中直流信号检测单元的另一种电路结构图；
[0045] 图5是本发明中直流信号处理单元的另一种电路结构图；
[0046] 图6是本发明中交流信号处理单元的电路结构图；
[0047] 图7是本发明中恢复电路单元的原理框图；
[0048] 图8是本发明中恢复电路单元的电路结构图；
[0049] 图9是本发明中功率放大单元的电路结构图；
[0050] 图10是本发明中波形检测原理图。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
[0052] 如图1所示，本发明，即，一种交直流电流传感器，包括：
[0053] 高导磁变压器单元T，其包括：
[0054] 彼此独立的第一磁芯和第二磁芯；
[0055] 分别绕制在第一磁芯和第二磁芯上的第一励磁线圈L1和第二励磁线圈L2,其中， 第一励磁线圈L1的匝数为nl，第二励磁线圈L2的匝数为n2,且nl可以与n2相同，也可以 不同；
[0056] 第三磁芯，其与第一磁芯和第二磁芯叠置在一起，以形成一整体磁芯，其中，第一、 第二和第三磁芯均由高导磁材料制成；以及
[0057] 绕制在整体磁芯上的初级线圈L3、次级线圈L4和辅助线圈L5,其中，初级线圈L3 的匝数为Np，且该初级线圈L3接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流（i)，次级线 圈L4的匝数为Ns，且次级线圈L4输出测得的直流电流或交流电流（Output)，辅助线圈L5 的匝数为N ;
[0058] 激励信号发生单元1，其与第一励磁线圈L1以及第二励磁线圈L2连接，以分别向 第一励磁线圈L1和第二励磁线圈L2提供两个相位差180°的激励电流；
[0059] 直流信号检测单元2,其与第二励磁线圈L2连接，以在初级线圈L3接收被测直流 电流时，接收第二励磁线圈L2输出的相应的不对称磁化信号，并将该不对称磁化信号转换 为检测电压信号；
[0060] 直流信号处理单元3,其与直流信号检测单元2连接，以接收并对检测电压信号进 行相应处理，并输出相应的直流处理信号；
[0061] 恢复电路单元4,其与直流信号检测单元2连接，以接收并将检测电压信号与一预 设电压值比较，并输出相应的退磁振荡信号；
[0062] 交流信号处理单元5,其与辅助线圈L5连接，以在初级线圈L3接收被测交流电流 时，接收辅助线圈L5输出的相应的感应电流信号，并对该感应电流信号进行相应处理，以 输出相应的交流处理信号；以及
[0063] 功率放大单元6,其输入端分别与直流信号处理单元3、恢复电路单元4以及交流 信号处理单元5连接，其输出端与次级线圈L4连接，从而接收直流处理信号，并向次级线圈 L4输出一直流补偿电流，并接收退磁振荡信号，向次级线圈L4输出一用于使第二磁芯退磁 的退磁电流，或者接收交流处理信号，并向次级线圈L4输出一交流补偿电流，其中，直流补 偿电流与被测直流电流的方向相反并且其电流大小是该被测直流电流的Np/Ns倍，交流补 偿电流与被测交流电流的方向相反并且其电流大小是该被测交流电流的Np/Ns倍。
[0064] 如图1所示，在本实施例中，激励信号发生单元1与第一励磁线圈L1的异名端连 接，并与第二励磁线圈L2的同名端连接。然而，激励信号发生单元1也可以与第一励磁线 圈L1的同名端连接，并与第二励磁线圈L2的异名端连接。本实施例中的激励信号发生单 元1包括依次连接的信号源11以及信号放大器12,其中，信号源11指通用的信号发生电 路，其产生的信号包括：无直流偏置的交流正弦波、方波、三角波、锯齿波、梯形波等信号，信 号放大器12与第一励磁线圈L1以及第二励磁线圈L2连接。
[0065] 如图2所示，本发明中的直流信号检测单元2的一种实施例（即采用相频检波原 理）包括：相控门21，其输入端接收第二励磁线圈L2输出的不对称磁化信号以及外围输入 的相控信号，其输出端依次通过第一电阻R1和第一电容C1接地，其中，第一电阻R1和第一 电容C1的相连端向直流信号处理单元3输出检测电压信号。具有上述结构的直流信号检 测单元2的工作原理为：通过选用相控门控制相控信号的通断，从中检出被测电流信号，相 控信号选用激励频率的4倍频，由相控信号控制不对称磁化信号在正负半周分别经由第一 电阻R1向第一电容C1充电，经过一个被检信号周期后，第一电容C1上的电压即为就是检 测电压信号。
[0066] 如图3所示，针对采用相频检波原理的直流信号检测单元2,本发明中的直流信号 处理单元3的一种实施例包括：第一运算放大器31，其正输入端依次通过第三电阻R3和第 二电阻R2接收检测电压信号，其输出端向功率放大单元6输出直流处理信号，并依此通过 第五电阻R5和第四电阻R4接地，其负输入端连接至第四电阻R4与第五电阻R5之间，其中， 第三电阻R3和第二电阻R2的相连端通过第二电容C2接地。在上述的直流信号处理单元3 中，以第一运算放大器31为核心，第二、第三电阻R2、R3以及第二电容C2实现滤波，第四、 第五电阻R4、R5实现增益，最终实现直流信号处理。
[0067] 如图4所示，本发明中的直流信号检测单元2的另一种实施例（即采用峰值检波 原理）包括：第一二极管D1，其正极接收第二励磁线圈L2输出的不对称磁化信号，其负极 通过第三电容C3接地，同时通过第六电阻R6向直流信号处理单元3输出检测电压信号；以 及第二二极管D2,其负极接收第二励磁线圈L2输出的不对称磁化信号，其正极通过第四电 容C4接地，同时通过第七电阻R7向直流信号处理单元3输出检测电压信号，其中，第一二 极管D1的正极与第二二极管D2的负极相连以接受不对称磁化信号，第六电阻R6与第七电 阻R7相连以输出检测电压信号。在上述直流信号检测单元2中，第六电阻R6和第七电阻 R7的阻值较大，第六电阻R6、第三电容C3以及第七电阻R7、第四电容C4的时间常数远远大 于不对称磁化信号的周期，在不对称磁化信号为正峰值时第一二极管D1导通，从而给第三 电容C3充电，当被不对称磁化信号为负峰值时，第二二极管D2导通，从而给第四电容C4充 电，经过不对称磁化信号的一个周期后，第三、第四电容C3、C4都达到各自的最大值，通过 第六、第七电阻R6、R7做加法运算，获得检测电压信号。
[0068] 如图5所示，针对采用峰值检波原理的直流信号检测单元2,本发明中的直流信号 处理单元3的另一种实施例包括：第二运算放大器32,其正输入端通过第八电阻R8接地， 其负输入端通过第九电阻R9接收检测电压信号，其输出端向功率放大单元6输出直流处理 信号，并通过第十电阻R10连接至该第二运算放大器32的负输入端与第九电阻R9之间，其 中，第十电阻R10两端并联有第五电容C5。在上述直流信号处理单元3中，以第二运算放大 器32为核心，第九、第十电阻R9、R10以及第五电容C5共同实现信号滤波和提高增益，从而 完成交流信号处理，第八电阻R8完成第二运算放大器32的信号输入接地。
[0069] 如图6所示，本发明中的交流信号处理单元5包括：第三运算放大器51，其正输入 端通过第十一电阻R11接地，其负输入端通过第十二电阻R12接收辅助线圈L5输出的感应 电流信号，其输出端向功率放大单元6输出交流处理信号，其中，第十二电阻R12与该第三 运算放大器51的负输入端的相连端依次通过第十三电阻R13和第六电容C6接地，第三运 算放大器51的负输入端和输出端之间并联有第十四电阻R14。
[0070] 如图7所示，本发明中的恢复电路单元4包括：依次连接的信号比较模块41、多谐 波振荡器42和信号驱动器43,其中，信号比较模块41接收直流信号检测单元2输出的检 测电压信号，信号驱动器43向功率放大单元6输出退磁振荡信号。图8中示出了本实施例 中，信号比较模块41、多谐波振荡器42和信号驱动器43的具体电路结构，例如，信号比较 模块41包括：比较器411、第二十、二i^一电阻R20、R21以及第八电容C8 ;多谐波振荡器42 包括：定时器421、第二十二至二十四电阻R22-R24以及第九电容C9 ;信号驱动器43包括： 三极管Q1以及第二十五至二十七电阻R25-R27(由于上述信号比较模块41、多谐波振荡器 42和信号驱动器43均为本领域常规器件，故其结构此处不再赘述）。
[0071] 如图9所示，本发明中的功率放大单元6包括：第四运算放大器61，其正输入端通 过第十五电阻R15接地，其负输入端分别通过第十六电阻R16接收交流处理信号、通过第 十七电阻R17接收直流处理信号以及通过第十八电阻R18接收退磁振荡信号，其输出端与 次级线圈L4连接，其中，第四运算放大器61的负输入端和输出端之间并联有依次连接的第 七电容C7和第十九电阻R19。在上述的功率放大单元6中，以第七电容C7和第十九电阻 R19与第十六至第十八电阻R16-R18构成负反馈稳定增益回路，实现功率平稳输出，第十五 电阻R15完成第四运算放大器61的输入信号接地。功率放大单元6接收直流或交流信号 处理单元3或5以及恢复电路单元4提供的信号，使次级线圈L4的电流抵消初级线圈L3 的电流，实现磁芯准零磁通（具体原理在下文中描述）。
[0072] 本发明的工作原理如下：
[0073] 本发明中，第一、第二励磁线圈LI、L2配合激励信号、信号检测、信号处理和功率 放大等环节完成了 DC-几十Hz的电流测量。具体来说，第一、第二励磁线圈LI、L2的不同 端分别与激励信号发生单元1相连，因此在这两个电感中产生的磁通对于次级线圈L4而 言，幅度相等，方向相反，从而消除了激励信号对测量数值的影响，降低了测量的本底噪声。
[0074] 为方便叙述，这里以第二励磁线圈L2为例，同时假设激励信号发生单元1输出的 激励信号为方波来说明测量过程：第二励磁线圈L2内的激励电流波形参见可图10,以此激 励电流信号作为载波。当被测电流为零时，检波检出的信号积分为零，当被测电流不为零 时，检波检出的信号积分不为零，此不为零的信号送给功率放大单元6,从而在次级线圈L4 上产生与初级线圈L3安匝相同的电流，使得第二励磁线圈L2上的磁化电流波形对称，进而 使检波检出为零；当初级线圈L3中有交流电流时，辅助线圈L5感应到初级线圈L3的电流 信号，把此信号送到功率放大单元6,从而使次级线圈L4上产生和初级线圈L3电流相反的 电流且幅值是被测电流的Np/Ns倍，进而完成交流电流测量（至100kHz)。
[0075] 恢复电路单元4可保证整个反馈处在可控状态，具体来说，当开机瞬间或者初级 线圈L3有过流等等冲击时，将破坏了整个电路的负反馈工作状态。在正常情况下，由高导 磁材料组成的第二励磁线圈L2在激励信号的作用下工作在接近饱和的区域很容易进入饱 和状态，当强干扰破坏了负反馈，电路进入正反馈，功率放大单元6输出正或负的最大电压 值，导致次级线圈L4输出正或负的最大电流，第二励磁线圈L2的磁芯进入饱和状态，即使 干扰信号撤除，L2的磁芯也不能自动回到干扰前的状态。因此，本发明中专门设计了检测第 二励磁线圈L2磁芯工作状态的电路，当第二励磁线圈L2的磁芯饱和，第二励磁线圈L2失 去电感效用，直流信号检测单元2检测到的不对称磁化信号超过设定值，恢复电路单元4中 的多谐波振荡器，产生远低于激励信号频率的方波，并经信号驱动器送入功率放大单元6， 此信号和直流信号处理单元3送来的信号相减作为功率放大单元6的输入，当上述两信号 相减为零时，功率放大单元6输出零电压，第二励磁线圈L2的磁芯退出饱和状态，整个电路 再次进入负反馈状态，当直流信号检测单元2检出的信号低于设定值时，则恢复电路单元4 停止工作，恢复过程结束，完成磁芯偏磁校正。
[0076] 基于上述原理，当磁芯中存在直流偏磁时，交流激励信号在第一、第二励磁线圈 LI、L2上的电流就会出现正负半波不对称的畸变波形，直流信号检测单元2获得激励电流 信号的不对称情况，将该不对称波形正负半波变换之后形成电压信号送到直流信号处理单 元3,经过处理的信号推动功率放大单元6产生与被测直流电流反方向的Ns/Np倍的电流， 以平衡被测直流电流所产生的偏磁磁势，从而形成"准零磁通状态"，进而实现直流电流的 检测任务。
[0077] 同理，当被测电流为交流电流时，磁芯中形成交流偏磁，辅助线圈L5、初级线圈 L3、次级线圈L4和功率放大单元6共同完成交流电流测量。
[0078] 当磁芯状态偏离准零磁通状态时，交流激励信号在第一、第二励磁线圈LI、L2上 的电流就会出现正负半波不对称的极限畸变波形，当直流信号检测电路获得最大不对称磁 化信号时，则启动恢复电路单元4,对磁芯进行交流退磁，使磁芯重新回到准零磁通的可控 状态。
[0079] 换句话说，在本发明中，交流信号源对第一、第二励磁线圈L1、L2进行磁化，在外 部被测电流i = 〇时，第一、第二励磁线圈LI、L2反相对称磁化，输出的磁化信号正反方向 幅值相等方向相反，直流信号检测单元2检出的不对称磁化信号为零，直流信号处理单元3 和功率放大单元6都以零信号输出。
[0080] 当直流电流i尹0时，第二励磁线圈L2的第二磁芯被磁化，激励信号在第二励磁 线圈L2上的磁化就出现不对称，此不对称磁化信号与被测电流成正比或反比，直流信号检 测单元2检测到此不对称磁化信号后，按一定比例送至直流信号处理单元3,经过信号处理 之后推动功率放大单元6产生和被测电流方向相反，且幅值为被测电流Np/Ns倍的电流， 从而产生与被测直流所产生的磁势相反方向的直流磁势，以平衡被测直流所产生的偏磁磁 势，进而使磁芯中的磁通接近为零，完成通俗说法中的零磁通磁平衡，因此可以获得被测直 流大小，从而实现直流电流的检测任务。
[0081] 当交流电流i尹0时，功率放大单元6为电压源，初级线圈L3和次级线圈L4依靠 第三磁芯完成变压器电流变换，实现磁芯零磁通磁平衡，即为互感器，从而实现交流电流的 检测任务。
[0082] 恢复电路单元4通过比较直流信号检测单元2送至的不对称磁化信号，判断第二 磁芯的磁化状态正常与否，当第二磁芯的磁化超过了设定值，恢复电路单元4则启动退磁 振荡信号，推动功率放大单元6产生大电流完成退磁过程；当退磁结束后，退磁振荡信号停 止，整体电路由直流信号处理单元3依据检测电压信号驱动功率放大单元6来完成深度负 反馈。
[0083] 综上所述，本发明的巧妙设计，使得被测电流为直流或交流时，自动切换，自动完 成电流测量；本发明适于检测OHz-lOOkHz电流，例如应用于：电力电子设备的电流反馈、截 流控制、高精度稳流调节、过流检测、加速器磁铁电源、电力系统以及电解等行业的交直流 电流信号检测。
[〇〇84] 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上 述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的 简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为 常规技术内容。
【权利要求】
1. 一种交直流电流传感器，其特征在于，所述传感器包括： 高导磁变压器单元，其包括： 彼此独立的第一磁芯和第二磁芯； 分别绕制在所述第一磁芯和第二磁芯上的第一励磁线圈和第二励磁线圈； 第三磁芯，其与所述第一磁芯和第二磁芯叠置在一起，以形成一整体磁芯；以及 绕制在所述整体磁芯上的初级线圈、次级线圈和辅助线圈，其中，所述初级线圈的匝数 为Np，且所述初级线圈接收外围输入的被测直流电流或被测交流电流，所述次级线圈的匝 数为Ns，且所述次级线圈输出测得的直流电流或交流电流； 激励信号发生单元，其与所述第一励磁线圈以及所述第二励磁线圈连接，以分别向所 述第一励磁线圈和第二励磁线圈提供两个相位差180°的激励电流； 直流信号检测单元，其与所述第二励磁线圈连接，以在所述初级线圈接收所述被测直 流电流时，接收所述第二励磁线圈输出的相应的不对称磁化信号，并将该不对称磁化信号 转换为检测电压信号； 直流信号处理单元，其与所述直流信号检测单元连接，以接收并对所述检测电压信号 进行相应处理，并输出相应的直流处理信号； 恢复电路单元，其与所述直流信号检测单元连接，以接收并将所述检测电压信号与一 预设电压值比较，并输出相应的退磁振荡信号； 交流信号处理单元，其与所述辅助线圈连接，以在所述初级线圈接收所述被测交流电 流时，接收所述辅助线圈输出的相应的感应电流信号，并对该感应电流信号进行相应处理， 以输出相应的交流处理信号；以及 功率放大单元，其输入端分别与所述直流信号处理单元、恢复电路单元以及交流信号 处理单元连接，其输出端与所述次级线圈连接，从而接收所述直流处理信号，并向所述次级 线圈输出一直流补偿电流，并接收所述退磁振荡信号，向所述次级线圈输出一用于使所述 第二磁芯退磁的退磁电流，或者接收所述交流处理信号，并向所述次级线圈输出一交流补 偿电流，其中，所述直流补偿电流与所述被测直流电流的方向相反并且其电流大小是该被 测直流电流的Np/Ns倍，所述交流补偿电流与所述被测交流电流的方向相反并且其电流大 小是该被测交流电流的Np/Ns倍。
2. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述第一励磁线圈的匝数 与所述第二励磁线圈的匝数相同或不同。
3. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述激励信号发生单元与 所述第一励磁线圈的异名端连接，并与所述第二励磁线圈的同名端连接。
4. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述激励信号发生单元与 所述第一励磁线圈的同名端连接，并与所述第二励磁线圈的异名端连接。
5. 根据权利要求1、3或4所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述激励信号发生单 元包括依次连接的一信号源以及一信号放大器，其中，所述信号放大器与所述第一励磁线 圈以及所述第二励磁线圈连接。
6. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述直流信号检测单元包 括：相控门，其输入端接收所述不对称磁化信号以及一外围输入的相控信号，其输出端依次 通过第一电阻和第一电容接地，其中，所述第一电阻和第一电容的相连端输出所述检测电 压信号。
7. 根据权利要求6所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述直流信号处理单元包 括：第一运算放大器，其正输入端依次通过第三电阻和第二电阻接收所述检测电压信号，其 输出端输出所述直流处理信号，并依此通过第五电阻和第四电阻接地，其负输入端连接至 所述第四电阻与第五电阻之间，其中，所述第三电阻和第二电阻的相连端通过第二电容接 地。
8. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述直流信号检测单元包 括：第一二极管和第二二极管，其中，所述第一二极管的正极与第二二极管的负极相连以接 收所述不对称磁化信号，所述第一二极管的负极通过第三电容接地，同时与第六电阻连接， 所述第二二极管的正极通过第四电容接地，同时与第七电阻连接，且所述第六电阻与第七 电阻相连以输出所述检测电压信号。
9. 根据权利要求8所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述直流信号处理单元包 括：第二运算放大器，其正输入端通过第八电阻接地，其负输入端通过第九电阻接收所述检 测电压信号，其输出端输出所述直流处理信号，并通过第十电阻连接至该第二运算放大器 的负输入端与所述第九电阻之间，其中，所述第十电阻两端并联有第五电容。
10. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述交流信号处理单元包 括：第三运算放大器，其正输入端通过第十一电阻接地，其负输入端通过第十二电阻接收所 述感应电流信号，其输出端输出所述交流处理信号，其中，所述第十二电阻与该第三运算放 大器的负输入端的相连端依次通过第十三电阻和第六电容接地，所述第三运算放大器的负 输入端和输出端之间并联有第十四电阻。
11. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述恢复电路单元包括： 依次连接的信号比较模块、多谐波振荡器和信号驱动器，其中，所述信号比较模块接收所述 检测电压信号，所述信号驱动器输出所述退磁振荡信号。
12. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述功率放大单元包括： 第四运算放大器，其正输入端通过第十五电阻接地，其负输入端分别通过第十六电阻接收 所述交流处理信号、通过第十七电阻接收所述直流处理信号以及通过第十八电阻接收所述 退磁振荡信号，其输出端与所述次级线圈连接，其中，所述第四运算放大器的负输入端和输 出端之间并联有依次连接的第七电容和第十九电阻。
13. 根据权利要求1所述的交直流电流传感器，其特征在于，所述第一磁芯、第二磁芯 和第三磁芯均由高导磁材料制成。
【文档编号】G01R19/00GK104090146SQ201410355923
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】王东兴, 卢宋林, 李 瑞, 朱燕燕, 胡志敏, 黄毛毛, 刘洪 , 武万锋, 谭松清, 郭春龙, 许瑞年 申请人:中国科学院上海应用物理研究所