一种开口式电流传感器的制作方法

本实用新型涉及电流检测技术领域，尤其涉及一种开口式电流传感器。

背景技术：

电流传感器是一种能感知待测电流，将大电流或微电流转换成易于测量的小电流、电压信号并隔离输出模拟信号或数字信号的传感器。

根据不同的应用场景需求，电流传感器有闭合式电流传感器和开口式电流传感器。闭合式电流传感器测量精度高，但安装不方便；开口式电流传感器可以带电操作，安装方便，但精度不高。目前，市场上的开口式电流传感器主要有霍尔电流传感器和罗科夫斯基线圈。霍尔传感器能够测量直流和交流电流，但由于零漂和温漂比较大，无法实现高精度测量。罗科夫斯基线圈安装简单，测量范围宽，但只能测量交流，对于低频率的电流信号不够敏感，对后级处理电路要求较高。

技术实现要素：

基于背景技术存在的无法实现高精度测量的技术问题，本实用新型提出了一种开口式电流传感器。

本实用新型提出的一种开口式电流传感器，包括闭环控制模块和激磁模块，所述激磁模块包括激磁振荡器、与激磁振荡器连接的激磁单元以及与激磁单元连接的直流偏磁检测单元，所述激磁模块采用磁通门技术，通过磁调制技术输出直流偏磁信号；所述激磁振荡器向所述激磁单元输出预设频率的交变电压信号，以激励所述激磁单元产生目标激励磁场，所述目标激励磁场用于对待测电路中的待测电流产生的直流偏置磁场进行检测，并通过所述直流偏磁检测单元输出与所述直流偏置磁场对应的直流偏磁信号，所述闭环控制模块与所述直流偏磁检测单元连接。

优选地，所述激磁单元包括第一激磁绕组N1、第二激磁绕组N2、第一激磁铁芯T1及第二激磁铁芯T2，所述第一激磁铁芯T1和第二激磁铁芯T2分别由两部分组成，第一部分激磁铁芯与第二部分激磁铁芯之间存在开口气隙；第一激磁绕组N1和第二激磁绕组N2分别缠绕第一激磁铁芯T1及第二激磁铁芯T2；所述激磁振荡器同时向第一激磁绕组N1和第二激磁绕组N2输出预设频率的交变电压信号，第一激磁绕组N1上的电压与第二激磁绕组N2上的电压信号大小相等，方向相反。

优选地，所述闭环控制模块包括直流偏磁信号处理单元、交流磁通检测单元、交直流磁通补偿单元及电流检测单元，所述直流偏磁信号处理单元的输入端与所述直流偏磁检测单元连接，所述直流偏磁信号处理单元的输出端与所述交直流磁通补偿单元的第一输入端连接，所述交流磁通检测单元的输出端与所述交直流磁通补偿单元的第二输入端连接，所述交直流磁通补偿单元的输出端与所述电流检测单元连接。

优选地，所述交流磁通检测单元包括交流磁通检测绕组N3、交流磁通检测铁芯T3及交流磁通信号处理单元，所述交流磁通检测铁芯T3由两部分组成，第一部分检测铁芯与第二部分检测铁芯之间存在开口气隙。

优选地，所述直流偏磁信号处理单元包括第一电压处理单元和第一信号放大单元，所述第一电压处理单元的输入端为所述直流偏磁信号处理单元的输入端，所述第一电压处理单元的输出端与所述第一信号放大单元的输入端连接，所述第一信号放大单元的输出端为所述直流偏磁信号处理单元的输出端。

优选地，所述交直流磁通补偿单元包括功率放大单元和比例补偿绕组N6，所述功率放大单元的第一输入端和第二输入端分别为交直流磁通补偿单元的第一输入端和第二输入端，功率放大单元的输出端与比例补偿绕组N6的同名端连接，所述比例补偿绕组N6的异名端为交直流磁通补偿单元的输出端，所述比例补偿绕组N6同时缠绕第一激磁铁芯T1及第二激磁铁芯T2及交流磁通检测铁芯T3。

本实用新型的有益效果是：通过在开口式电流传感器中采用磁通门技术，通过磁调制技术输出直流偏磁信号，并在闭环控制模块采用零磁通闭环控制技术，根据检测到的交流磁通信号和激磁模块输出的直流偏磁信号产生交直流补偿磁场，交直流补偿磁场与穿过传感器电流所产生的直流磁场和交流磁场相互叠加后的交直流叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零，从而实现了对交流电流和直流电流的精密检测，提高了开口式电流传感器的电流检测精度。

附图说明

图1是本实用新型提出的一种开口式电流传感器的的结构示意图；

图2是本实用新型提出的一种开口式电流传感器的控制电路框图；

图3是本实用新型提出的一种开口式电流传感器的控制电路分解图；

图4是本实用新型提出的一种开口式电流传感器的控制电路具体结构图。

图中：1闭环控制模块、2激磁模块、10直流偏磁信号处理单元、11交流磁通检测单元、12交直流磁通补偿单元、13电流检测单元、21激磁振荡器、22激磁单元、23直流偏磁检测单元、101第一电压处理单元、102第一信号放大单元、121功率放大单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步解说。

实施例

参照图1，一种开口式电流传感器100在结构上由闭环控制模块1及激磁模块2组成。激磁模块2由第一激磁铁芯T1、第二激磁铁芯T2、第一激磁绕组N1、第二激磁绕组N2以及激磁电路组成。其中，第一激磁铁芯T1及第二激磁铁芯T2分别由T11、T12及T21、T22两部分组成，T11与T12之间及T21与T22之间存在开口气隙D；第一激磁绕组N1和第二激磁绕组N2分别缠绕第一激磁铁芯第二部分T11和第二激磁铁芯第二部分T21。

闭环控制模块1由交流磁通检测铁芯T3、交流磁通检测绕组N3及闭环控制电路组成。其中，交流磁通检测铁芯T3由两部分组成，第一部分交流磁通检测铁芯T31与第二部分交流磁通检测铁芯T32之间存在开口气隙D，交流磁通检测绕组N3缠绕第二部分交流磁通检测铁芯T31。

外部待测电路中待测电流为Id，通过承载待测电流Id的导线流过电流传感器，载待测电流Id的导线从T1、T2、T3三个铁芯中间穿过。其中，Nd用于示意承载待测电流Id的导线对应的绕组，Wd为导线对应的绕组的匝数，通常取Wd为1匝。

由于图1仅为展示一种开口式电流传感器100的结构，闭环控制模块1中的闭环控制电路及激磁模块2中的激磁电路在此不做详细介绍，具体电路设计请参考图2、图3及图4。

参见图2，是本实用新型实施例提供的一种开口式电流传感器的控制电路框图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

一种开口式电流传感器100的闭环控制1，与电流传感器100中的激磁模块2连接，用于实现对待测电路中待测电流Id中的直流电流成分和交流电流成分的检测。

其中，Nd用于示意承载待测电流Id的导线对应的绕组，待测电流Id流经导线时，在导线上所产生的磁动势为Id×Wd。其中，Wd为导线对应的绕组的匝数，通常取Wd为1匝。

具体的，激磁模块2包括激磁振荡器21、与激磁振荡器21连接的激磁单元22以及与激磁单元22连接的直流偏磁检测单元23。激磁振荡器21向激磁单元22输出预设频率的交变电压信号，以激励激磁单元22产生目标激励磁场，目标激励磁场用于对待测电路中的待测电流Id产生的直流偏置磁场进行检测，并通过直流偏磁检测单元22输出与直流偏置磁场对应的直流偏磁信号。

在本实用新型实施例中，交变电压信号可以为方波信号、正弦波信号或三角波信号等。优选的，本实用新型实施例中选用方波电压信号。

在本实用新型实施例中，激磁振荡器21输出的交变电压信号的频率可以根据实际需求进行设置，此处不做限制。

激磁单元22包括第一激磁绕组N1、第二激磁绕组N2、第一激磁铁芯T1及第二激磁铁芯T2，第一激磁绕组N1的异名端与第二激磁绕组N2的同名端共接于激磁振荡器21的输出端。激磁振荡器21同时向第一激磁绕组N1和第二激磁绕组N2输出预设频率的交变电压信号，第一激磁绕组N1上的电压与第二激磁绕组N2上的电压信号大小相等，方向相反。第一激磁绕组N1和第二激磁绕组N2在交变电压信号的激励下，分别产生目标激励磁场和平衡激励磁场，理论上，目标激励磁场与平衡激励磁场的大小相等，方向相反，平衡激励磁场与目标激励磁场进行叠加，以抵消目标激励磁场在与其磁感线垂直的平面的磁通量，使得激磁单元22对外的磁通量为零。

直流偏磁检测单元23可以为直流偏磁检测电阻R1，直流偏磁检测电阻R1的第一端与第一激磁绕组N1的同名端连接，直流偏磁检测电阻R1的第二端接地，直流偏磁检测电阻R1通过其第一端输出直流偏磁信号。第一激磁铁芯T1和第二激磁铁芯T2均为软磁铁芯，当通过激磁振荡器21向第一激磁绕组N1输出预设频率的交变电压信号使软磁铁芯进入饱和状态时，软磁铁芯的交变磁通产生了高次谐波。当待测电流Id为零时，在交变电压信号的一个周期内，直流偏磁检测电阻R1上的平均电压为零；当待测电流Id不为零时，第一激磁绕组N1会对待测电流Id产生的直流偏置磁场进行检测，进而使得在交变电压信号的一个周期内，直流偏磁检测电阻R1的平均电压不为零，直流偏磁检测电阻R1上所检测到的直流偏磁信号(电压信号)的大小和方向反映了待测电流Id产生的直流偏置磁场的大小和方向，进而反应了待测电流Id的大小和方向。

闭环控制1包括闭环控制模块1。闭环控制模块1与直流偏磁检测单元23连接。

闭环控制模块1对待测电流Id产生的交流磁场进行检测，并根据检测到的交流磁通信号生成交流磁通补偿信号；闭环控制模块1还根据直流偏磁检测单元23输出的直流偏磁信号生成直流偏磁补偿信号，并根据交流磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号生成目标交直流磁通补偿信号，且根据目标交直流磁通补偿信号在待测电路的周围产生交直流补偿磁场，交直流补偿磁场与直流偏置磁场和交流磁场相互叠加，叠加后的交直流叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零，进而实现了对待测电路Id中的直流电流成分和交流电流成分的检测，提高了传感器的电流检测精度，且使传感器实现了宽频带电流检测。

具体的，交流磁通平衡模块1将交流磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号进行叠加，得到目标交直流磁通补偿信号。

参见图3，是本实用新型实施例提供的一种开口式电流传感器的控制电路分解图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

其中，I1、I2分别为第一激磁绕组N1、第二激磁绕组N2上的电流，W1、W2分别为第一激磁绕组N1、第二激磁绕组N2的匝数。

闭环控制模块1包括直流偏磁信号处理单元10、交流磁通检测单元11、交直流磁通补偿单元12及电流检测单元13。

直流偏磁信号处理单元10的输入端与直流偏磁检测单元22连接，直流偏磁信号处理单元10的输出端与交直流磁通补偿单元12的第一输入端连接，交流磁通检测单元11的输出端与交直流磁通补偿单元12的第二输入端连接，交直流磁通补偿单元12的输出端与电流检测单元13连接。

直流偏磁信号处理单元10对直流偏磁检测单元22输出的直流偏磁信号进行处理，并输出直流偏磁补偿信号；交流偏侧检测单元11对待测电流Id产生的交流磁场进行检测，并根据检测到的交流磁通信号输出交流磁通补偿信号；交直流磁通补偿单元12根据交流磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号生成目标交直流磁通补偿信号，且根据目标交直流磁通补偿信号在待测电路的周围产生交直流补偿磁场，交直流补偿磁场与直流偏置磁场和交流磁场相互叠加，叠加后的交直流叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零。

具体的，交直流磁通补偿单元12将交流磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号进行叠加，得到目标交直流磁通补偿信号。

参见图4，是本实用新型实施例提供的一种开口式电流传感器的控制电路具体结构图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

作为本实用新型一实施例，交流磁通检测单元11包括交流磁通检测绕组N3、交流磁通检测铁芯T3及交流磁通信号处理单元110。

交流磁通检测绕组N3的异名端接地，交流磁通检测绕组N3的同名端与交流磁通信号处理单元110的输入端连接，交流磁通信号处理单元110的输出端为交流磁通检测单元11的输出端。

交流磁通检测绕组N3对待测电流Id产生的交流磁场进行检测，并输出交流磁通信号；交流磁通信号处理单元110对交流磁通信号进行处理，并输出交流磁通补偿信号。

作为本实用新型一实施例，交流磁通信号处理单元110包括第二电压处理单元111和第二信号放大单元11。

第二电压处理单元111的输入端为交流磁通信号处理单元110的输入端，第二电压处理单元111的输出端与第二信号放大单元11连接，第二信号放大单元11的输出端为交流磁通信号处理单元110的输出端。

第二电压处理单元111对交流磁通检测绕组N3检测到的交流磁通信号进行整流滤波等处理并输出第二电压信号，第二信号放大单元11对第二电压信号进行放大处理并输出交流磁通补偿信号至交直流磁通补偿单元12。

在实际应用中，第二电压处理单元111可以为整流滤波电路，第二信号放大单元11可以为放大器，具体可以为比例积分放大器。

作为本实用新型一实施例，直流偏磁信号处理单元10包括第一电压处理单元101和第一信号放大单元102。

第一电压处理单元101的输入端为直流偏磁信号处理单元10的输入端，第一电压处理单元101的输出端与第一信号放大单元102的输入端连接，第一信号放大单元102的输出端为直流偏磁信号处理单元10的输出端。

第一电压处理单元101对直流偏磁检测单元22输出的直流偏磁信号进行整流滤波等处理并输出第一电压信号，第一信号放大单元102对第一电压信号进行放大处理并输出直流偏磁补偿信号至交直流磁通补偿单元12。

在实际应用中，第一电压处理单元101可以为整流滤波电路，第一信号放大单元102可以为放大器，具体可以为比例积分放大器。

作为本实用新型一实施例，电流检测单元13为电流检测电阻RL；电流检测电阻RL的第一端与交直流磁通补偿单元12的输出端连接，电流检测电阻RL的第二端接地。

作为本实用新型一实施例，交直流磁通补偿单元12包括功率放大单元121和比例补偿绕组N6。

功率放大单元121的第一输入端和第二输入端分别为交直流磁通补偿单元12的第一输入端和第二输入端，功率放大单元121的输出端与比例补偿绕组N6的同名端连接，比例补偿绕组N6的异名端为交直流磁通补偿单元12的输出端。比例补偿绕组N6同时缠绕第一激磁铁芯T1及第二激磁铁芯T2及交流磁通检测铁芯T3。

功率放大单元121对接收到的交流磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号进行叠加，并生成目标交直流磁通补偿信号；比例补偿绕组N6在目标交直流磁通补偿信号的激励下产生交直流补偿磁场，交直流补偿磁场与直流偏置磁场和交流磁场相互叠加，叠加后的交直流叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零。即流经比例补偿绕组N6的电流I6在比例补偿绕组N6上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组Nd上产生的磁动势Id×Wd大小相等，方向相反，即-I6×W6＝Id×Wd。其中，W6和Wd分别为比例补偿绕组N6和导线对应的绕组Nd的匝数。由于导线对应的绕组Nd的匝数为1，比例补偿绕组N6为已知的，通过测量电流检测电阻RL两端的电压，即可获知流经比例补偿绕组N6的电流I6，进而可以根据公式-I6×W6＝Id×Wd计算得到待测电流Id的大小，实现了对待测电流的高精度检测。

在实际应用中，功率放大单元121可以为功率放大器，功率放大器的同相输入端和反相输入端分别为功率放大单元121的第一输入端和第二输入端。

具体的，在本实用新型实施例中，直流偏磁检测单元23、第一电压处理单元101、第一信号放大单元102、功率放大单元121及比例补偿绕组N6构成直流偏磁补偿电路，用于对待测电流Id中的直流电流产生的直流偏置磁场进行补偿，进而实现对待测电流Id中的直流电流成分的检测。交流磁通检测绕组N3、第二电压处理单元111、第二信号放大单元11、功率放大单元121及比例补偿绕组N6构成交流磁通补偿电路，用于对待测电流Id中的交流电流产生的交流磁场进行补偿，进而实现对待测电流Id中的交流成分的检测。

当待测电流Id不为零时，直流偏磁检测单元23根据第一激磁绕组N1检测到的直流偏置磁场输出直流偏磁信号，第一电压处理单元101对直流偏磁信号进行处理后输出第一电压信号，第一信号放大单元102对第一电压信号进行放大处理并输出直流偏磁补偿信号至功率放大单元121，功率放大单元121根据直流偏磁补偿信号输出目标补偿电流I6，从而使流经比例补偿绕组N6的电流I6在比例补偿绕组N6上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组Nd上产生的磁动势Id×Wd完全平衡。待测电流Id越大，功率放大单元121输出的目标补偿电流I6就越大，待测电流Id越小，功率放大单元121输出的目标补偿电流I6就越小。实际上，由于功率放大单元121的增益有限，且存在零点漂移，因此，流经比例补偿绕组N6的电流I6在比例补偿绕组N6上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组Nd上产生的磁动势Id×Wd不可能完全平衡，为了维持两者之间的平衡，需形成一个负反馈系统，而交流磁通补偿电路可以实现该目的，比例补偿绕组N6上的磁动势和导线绕组Nd上的磁动势只要不平衡，便会在交流磁通检测绕组N3上形成检测电压，该检测电压经第二信号处理单元110处理后，输入功率放大单元121，从而使得功率放大单元121输出的目标补偿电流I6产生变化，进而使得电流I6在比例补偿绕组N6上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组Nd上产生的磁动势Id×Wd达到平衡状态。当电流I6在比例补偿绕组N6上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组Nd上产生的磁动势Id×Wd达到平衡状态后，交流磁通检测绕组N3上检测到的交流磁通信号和直流偏磁检测电阻R1检测到的直流偏磁信号均为零，从而使得传感器对外实现零磁通。

本实用新型实施例还提供了一种开口式电流传感器100，包括激磁模块2，还包括上述实施例中的闭环控制1。

需要说明的是，本实施例中的开口式电流传感器100所包含的闭环控制1的结构和工作原理与上述实施例中的闭环控制1的结构和工作原理完全相同，本实施例中的电流传感器100的工作原理具体可参考上述实施例中的相关描述，此处不再赘述。

本实用新型实施例通过在开口式电流传感器中采用磁通门技术，通过磁调制技术输出直流偏磁信号，并在闭环控制模块1采用零磁通闭环控制技术，根据检测到的交流磁通信号和激磁模块2输出的直流偏磁信号产生交直流补偿磁场，交直流补偿磁场与穿过传感器电流所产生的直流磁场和交流磁场相互叠加后的交直流叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零，从而实现了对交流电流和直流电流的精密检测，提高了开口式电流传感器的电流检测精度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。