一种基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统的制作方法

本申请涉及信号处理技术，具体的是一种基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统。

背景技术：

常规的微小电流传感器基于零磁通原理，利用双绞线绕满铁芯，实现穿心导体内电流矢量和的检测，进而实现对漏电流的检测。常规的漏电流检测方法是让单根导线或三相电缆穿过铁芯，实现对漏电流的检测。然而，在三相交变电力系统中，这种方法仅可以完成对线路中总漏电流的检测，无法获得交变电力系统中三相电路每一相上漏电流的数值。为了获得交变电力系统中三相电路每一相上漏电流的数值，需让电缆进线和出线同时穿过铁芯，通过测量电缆进线和出线的电流矢量和，获知漏电流值。

考虑到绝缘要求，电缆进线和出线需放置在合适的绝缘距离上，此时，铁芯中的磁场分布将由单相绕组内的安培级负荷电流及毫安级差分漏电流共同决定。由于铁芯中会产生随负荷电流实时波动的偏置磁场，所以如果沿用传统方法将双绞线绕满铁芯，则无法有效避免安培级负荷电流对毫安级差分漏电流测量的影响。因此，需对双绞线在铁芯上的绕线方式做出改变。

又由于基于对称放置的电缆进线和出线，其中性线位置上的漏电流检测信噪比最高，因此，需将双绞线绕满铁芯的绕线方式改变为在中性线位置绕线的绕线方式，且整体绕线宽度越窄，越能保证测量信噪比。依据这种方式制作出的线圈称为窄零磁通线圈。然而，绕线宽度窄意味着绕线匝数少，这将带来如下问题：

第一，由于毫安级漏电流产生的磁场很小，匝数太少则绕组两端感应电动势过小，难以驱动信号调理电路中的后级放大芯片；

第二，测量过程易受干扰、精度可能降低；

第三，为减小绕线宽度，需选用线径更细的双绞线，导致线圈电阻增加，进而容易产生自激振荡。

因此，经过以上分析，窄零磁通线圈内的漏电流检测对信号调理电路提出了更高的要求。目前应用的基于零磁通原理的电流传感器信号调理电路无法很好地保证窄零磁通线圈内漏电流检测的精度和信噪比。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本申请提供一种基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，能够完成窄零磁通线圈内漏电流检测过程中对信号的调理工作，能够保障窄零磁通线圈内漏电流检测的精度和信噪比。

本申请提供一种基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，包括：检测绕组、补偿绕组及信号调理电路；所述检测绕组及所述补偿绕组绕于电缆进线及电缆出线的中性线所在的铁芯位置；所述信号调理电路包括：依次相连的检测线圈感应电动势测量电路、输入信号放大电路、隔直电路、动态分流电路、补偿电路及负反馈放大输出电路；所述检测绕组连接所述检测线圈感应电动势测量电路，所述补偿绕组连接所述动态分流电路。

进一步地，所述信号调理电路还包括：放大芯片供电电路，用于为所述输入信号放大电路及所述负反馈放大电路供电。

进一步地，所述检测线圈感应电动势测量电路包括：

第一滤波电容，并联于所述检测绕组的两端，用于一次侧负载电流耦合在检测绕组中的高频信号；

第一稳压管，并联于所述第一滤波电容的两端，用于防止电流互感器受高压冲击；

两个第一平衡电阻，所述两个第一平衡电阻第一端分别与所述第一稳压管的其中一端连接；

第一双向反并联二极管，所述第一双向反并联二极管的第一端连接其中一个第一平衡电阻的第二端，所述第一双向反并联二极管的第二端连接另一第一平衡电阻的第二端，用于稳定所述检测绕组两端的电压。

进一步地，所述输入信号放大电路包括：

一第一串联电阻、两个第二平衡电阻、第一放大芯片、一个输出电阻、两个第一并联二极管、一第一反馈放大电阻及一用于防止电路产生自激振荡的第三电容；

其中一个所述第二平衡电阻的两端分别连接至所述第一双向反并联二极管的第一端及所述第一放大芯片的正极输入端，所述第一放大芯片的负极输入端连接另一所述第二平衡电阻，所述第一串联电阻连接在所述第一双向反并联二极管的第二端与另一所述第二平衡电阻之间；

所述第一反馈放大电阻与所述第三电容并联后，一端连接在所述第一串联电阻与另一所述第二平衡电阻之间，另一端连接在所述第一放大芯片的输出端与所述输出电阻的第一端之间，所述输出电阻的第二端与其中一所述第一并联二极管的正极及另一所述第一并联二极管的负极连接。

进一步地，所述第一放大芯片的放大倍数为所述第一串联电阻与所述第一反馈放大电阻之比。

进一步地，所述隔直电路包括：三个并联的第二电容，用于滤除放大信号中的直流部分。

进一步地，所述动态分流电路包括：一接地电阻，第二双向反并联二极管及一个第二串联电阻；

所述接地电阻第一端与所述隔直电路的第一端连接，第二端接地；

所述第二双向反并联二极管的第一端连接至所述隔直电路与所述接地电阻之间，第二端接地；

所述第二串联电阻的第一端与所述第二双向反并联二极管的第一端连接，第二端与所述补偿绕组连接。

进一步地，所述补偿电路包括：

第二滤波电容，并联于所述补偿绕组的两端，用于一次侧负载电流耦合在补偿绕组中的高频信号；

第二稳压管，并联于所述第二滤波电容的两端，用于防止电流互感器受高压冲击；

一第三串联电阻及第三双向反并联二极管，所述第三串联电阻的第一端与所述第二稳压管的一端连接，第二端与所述第三双向反并联二极管的第一端连接，所述第三双向反并联二极管的第二端接地。

进一步地，所述负反馈放大输出电路包括：

第二反馈放大电阻、第四电容、第二放大芯片、两个第三平衡电阻、第四双向反并联二极管及两个第二并联二极管；

第二反馈放大电阻与第四电容并联后，一端连接至所述第三双向反并联二极管的第一端与其中一所述第三平衡电阻的第一端之间，另一端连接至所述第二放大芯片的输出端；

其中一所述第三平衡电阻的第二端连接至所述第四双向反并联二极管的第一端；

所述第四双向反并联二极管的第一端连接至所述第二放大芯片的负极输入端；

另一所述第三平衡电阻的第一端接地，第二端连接至所述第四双向反并联二极管的第二端；

所述第四双向反并联二极管的第二端连接至所述第二放大芯片的正极输入端；

所述两个第二并联二极管连接至所述第二放大芯片的输出端。

进一步地，所述第一放大芯片为op2227放大芯片。

进一步地，所述第二放大芯片为op2227放大芯片。

由上述技术方案可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，能够完成窄零磁通线圈内漏电流检测过程中对信号的调理工作，很大程度上避免了漏电流检测过程中的噪声干扰，保障了窄零磁通线圈内漏电流检测的精度和信噪比。

附图说明

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。

图1为基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统的结构示意图；

图2为基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统中信号调理电路的结构图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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。

为了满足在窄零磁通线圈内进行漏电流检测，并保证在窄零磁通线圈内进行漏电流检测的精度和信噪比，本申请提供一种基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统。参见图1，基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统包括：检测绕组、补偿绕组及信号调理电路。为了获得高信噪比，需首先找到电缆进线及电缆出线相对于铁芯所在的中性线位置，然后将检测绕组及补偿绕组拧成双绞线，将双绞线绕于中性线所在位置的铁芯上。在保障检测效果的前提下，双绞线所绕匝数应尽量少。一实施例中，双绞线的绕线匝数可以设为500匝左右，绕线宽度可以在2厘米左右。

一实施例中，参见图2，信号调理电路包括：依次相连的检测线圈感应电动势测量电路、输入信号放大电路、隔直电路、动态分流电路、补偿电路及负反馈放大输出电路；检测绕组连接检测线圈感应电动势测量电路，补偿绕组连接动态分流电路。

一实施例中，参见图2，信号调理电路还包括：放大芯片供电电路，用于为输入信号放大电路及负反馈放大电路供电。所供电源的电压为正负5v电压。当为输入信号放大电路供电时，电源+5v接至输入信号放大电路内第一放大芯片的第8引脚，电源-5v接至输入信号放大电路内第一放大芯片的第4引脚。

当为负反馈放大电路供电时，电源+5v接至负反馈放大电路内第二放大芯片的第8引脚，电源-5v接至负反馈放大电路内第二放大芯片的第4引脚。第一放大芯片及第二放大芯片都可以为双通道放大芯片op2227。选用op2227作为放大芯片，可同时实现两级电路的放大作用，有利于提高调理电路的集成度，降低整体体积，提高抗干扰能力。同时，使用两级放大电路，能够保证每级放大电路的放大倍数控制在放大芯片的线性放大区域内，保障毫安级小信号测量的精度。

从上述描述可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，能够完成窄零磁通线圈内漏电流检测过程中对信号的调理工作，很大程度上避免了漏电流检测过程中的噪声干扰，保障了窄零磁通线圈内漏电流检测的精度和信噪比。

一实施例中，参见图2，检测线圈感应电动势测量电路包括：第一滤波电容c1、第一稳压管s1、两个第一平衡电阻r1和r2及第一双向反并联二极管d1和d2。

第一滤波电容c1，并联于检测绕组的两端，用于滤除一次侧负载电流耦合在检测绕组中的高频信号；第一稳压管s1，并联于第一滤波电容c1的两端，用于防止电流互感器受雷电等高压的冲击，损害后接电路；第一平衡电阻r1及r2的第一端分别与第一稳压管s1的其中一端连接；第一双向反并联二极管d1和d2的第一端连接第一平衡电阻r1的第二端，第一双向反并联二极管d1和d2的第二端连接第一平衡电阻r2的第二端；第一双向反并联二极管d1和d2用于稳定后接电路两端的电压在0.7v以内。

从上述描述可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，通过检测线圈感应电动势测量电路接入检测绕组，能够实现对检测绕组感应电动势的测量。

一实施例中，参见图2，输入信号放大电路包括：一第一串联电阻r3、两个第二平衡电阻r4和r5、第一放大芯片u1、一个输出电阻r6、两个第一并联二极管d3和d4、一第一反馈放大电阻r8及一第三电容c2。该电路用于将输入电压信号转换为电流信号。

其中，第二平衡电阻r4的两端分别连接至第一双向反并联二极管d1和d2的第一端及第一放大芯片u1的正极输入端，第一放大芯片u1的负极输入端连接第二平衡电阻r5，第一串联电阻r3连接在第一双向反并联二极管d1和d2的第二端与第二平衡电阻r5之间；

第一反馈放大电阻r8与第三电容c2并联后，其一端连接在第一串联电阻r3与第二平衡电阻r5之间，另一端连接在第一放大芯片u1的输出端与输出电阻r6的第一端之间，输出电阻r6的第二端与第一并联二极管d4的正极及另一第一并联二极管d3的负极连接。

第一放大芯片u1的放大倍数为第一串联电阻r3与第一反馈放大电阻r8之比，第三电容c2用于防止电路产生自激振荡，输出电阻r6及第一并联二极管d3和d4用于稳定输出电压在-5.7v至5.7v之内。

其中，第二平衡电阻r4接在第一放大芯片u1(op2227)的第3引脚，第二平衡电阻r5接在其第2引脚，输出电阻r6接在其第1引脚。第一并联二极管d3的正极接-5v电源，第一并联二极管d4的负极接+5v电源。

从上述描述可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，通过输入信号放大电路能够实现对感应电动势信号的放大。

一实施例中，参见图2，隔直电路包括：三个并联的第二电容，用于滤除放大信号中的直流部分。第二电容为c3或c4或c5。第二电容可以为较小容量的贴片电容。

从上述描述可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，使用多个第二电容并联以代替使用单个大容量电容作为隔直电路，能够有效地减小电路的整体体积。且在电路使用过程中，如需调整电容容量或更换电容元件也更为方便灵活，从而保证隔直电路能够根据实际情况，如基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统的输出信号的频率要求或检测绕组的等效阻抗特性等，在较大变化范围内调整隔直电容的容量范围，获得更优的隔直效果。

一实施例中，参见图2，动态分流电路包括：一接地电阻r7，第二双向反并联二极管d5和d6及一个第二串联电阻r9；接地电阻r7的第一端与隔直电容的第一端连接，第二端接地；第二双向反并联二极管d5和d6的第一端连接至隔直电容的第一端与接地电阻r7之间，第二端接地；第二串联电阻r9的第一端与第二双向反并联二极管d5和d6的第一端连接，第二端与补偿绕组连接。

当检测绕组中的感应电流动态变化时，第一放大芯片u1(op2227)的输出信号会发生变化；从而流经接地电阻r7的电流会随之变化；由于分流作用，第二串联电阻r9上的电流也会随之改变，从而实现了对检测绕组动态变化的实时跟随。

从上述描述可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，通过动态分流电路能够对检测绕组中感应电流的动态变化进行动态跟随。

一实施例中，参见图2，补偿电路包括：第二滤波电容c6、第二稳压管s2、第三串联电阻r10及第三双向反并联二极管d7和d8。

第二滤波电容c6并联于补偿绕组的两端，用于滤除一次侧负载电流耦合在补偿绕组中的高频信号；第二稳压管s2并联于第二滤波电容c6的两端，用于防止电流互感器受高压冲击；第三串联电阻r10的第一端与第二稳压管s2的一端连接，第三串联电阻r10的第二端与第三双向反并联二极管d7和d8的第一端连接，第三双向反并联二极管d7和d8的第二端接地。

第三双向反并联二极管d7和d8为后接的第二放大芯片u2的负极输入端起到电位钳制的保护作用。

从上述描述可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，通过补偿电路能够实时检测传感器铁芯中的磁场，动态补充铁芯中磁通，使其始终维持在“零磁通”水平。补偿电路响应速度快，且灵敏度高。

一实施例中，参见图2，负反馈放大输出电路包括：

第二反馈放大电阻r13、第四电容c7、第二放大芯片u2、两个第三平衡电阻r11和r12、第三双向反并联二极管d9和d10及两个第二并联二极管d11和d12。

第二反馈放大电阻r13与第四电容c7并联后，其一端连接至第三双向反并联二极管d7和d8的第一端与其中第三平衡电阻r11的第一端之间，其另一端连接至第二放大芯片u2的输出端；

第三平衡电阻r11的第二端连接至第四双向反并联二极管d9和d10的第一端；第四双向反并联二极管d9和d10的第一端连接至第二放大芯片u2的负极输入端；另一第三平衡电阻r12的第一端接地，第二端连接至第三双向反并联二极管d9和d10的第二端；第四双向反并联二极管d9和d10的第二端连接至第二放大芯片u2的正极输入端；两个第二并联二极管d11和d12连接至第二放大芯片u2的输出端；两个第三平衡电阻r11和r12及两个第二并联二极管d11和d12，用于稳定第二放大芯片u2的输出电压在-5.7v～5.7v之内。

其中，第三平衡电阻r11接在第二放大芯片u2(op2227)的第6引脚，第三平衡电阻r12接在第5引脚，第三双向反并联二极管d9和d10并联在第6引脚和第5引脚之间，两个第二并联二极管d11和d12接在第7引脚。第二放大芯片u2的放大倍数即等于r13，第二反馈放大电阻r13用于将电流信号转换为电压信号后进行输出。第二并联二极管d11的负极接+5v电源，第二并联二极管d12的正极接-5v电源。

从上述描述可知，本申请提供的基于零磁通原理的电流传感器信号调理系统，通过负反馈放大输出电路能够实现对感应电动势的二级放大，最终输出电压信号。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实现方法的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。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、产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、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。