一种非接触式的高精度轴电流测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种非接触式的高精度轴电流测量装置，包括第一磁聚环M1、第二聚磁环M2、第一磁传感器MS1、第二磁传感器MS2、信号综合处理电路板、DSP数字信号处理电路板以及本地显示终端，第一磁传感器MS1、第二磁传感器MS2测量第一磁聚环M1、第二聚磁环M2之间气隙的磁场信号，并输出表征该磁场大小的电压信号，经过信号综合处理电路板、DSP数字信号处理电路板进行信号调制后在本地显示终端显示被测轴的电流信号。本发明的轴电流测量装置抗干扰能力强，分辨率高、检测精度高，线性度优越、响应速度快，能满足各种外形尺寸的被测电流源，安装拆卸简单，维修方便，特别适合于船舶推进轴、电机转子轴或者其它大直径旋转轴的弱电流信号测量，具有普遍适用性。
【专利说明】
一种非接触式的高精度轴电流测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及信号检测及变换领域，具体涉及一种非接触式的高精度轴电流测量装 置。
【背景技术】
[0002] 由于防腐需要，船舶一般都会加装外加电流阴极保护系统。该系统提供的电流会 在船舶轴上产生电流。测量船舶轴电流的大小，可以有效地了解船舶的防腐情况。
[0003] 发电机转子轴所在的空间由于磁场不均匀，导致转子轴两端感应出电压，从而产 生电流信号。轴电流的长期存在会导致轴承温度升高，并且影响电机的使用寿命。测量轴上 电流的大小，可以辅助观察电机的运转情况，提供及时的报警信号，并且为电机的控制及保 护提供依据。
[0004] 通常测量电流信号的方法主要有：电流互感器、电流传感器、磁传感器等。电流互 感器测量精度低、线性度差、分辨率较低，并且需要串入被测线路，显然不适合船舶推进轴、 电机转子轴等旋转轴的电流测量;对于电流传感器，最常用的是霍尔电流传感器，在测量大 直径轴电流时，需要采用大口径的霍尔传感器，其测量大电流时，精度高、线性度好，但对于 船舶推进轴或电机转子轴的弱电流信号，霍尔电流传感器的分辨率和测量精度都严重下 降，不满足要求。常用磁传感器，如磁通门传感器或磁阻传感器精度高、线性度好、分辨率 高，可以测量微安级电流，是一种测量船舶推进轴电流、电机转子轴电流等弱电流信号的较 好选择。
[0005]现有的测量船舶推进轴或电机转子轴测量装置，如"旋转轴电流电压测试装置" (专利号：ZL200920078356)主要是将已经测得的轴电流和电压信号引出来进行测试，没有 涉及轴电流的具体测量方案；如"一种监测轴电流轴电压装置(公布号：CN202083733U)"主 要是解决模拟滤波方法的监测频点单一的问题，提出了一种监测多个频点的技术方案;如 "发电机轴电流检测装置(专利号:ZL200920099208)"虽然提供一种精确检测轴电流大小， 及时显示并发出警报或自动跳闸保护的方案，但是没有提及如何具体检测轴电流的大小， 也没有提及检测装置是否可以快速安装和拆卸，如何解决干扰问题;如"监测电动机器的轴 的轴电流和/或绝缘的方法及执行该方法的装置(公布号:CN101910857A)"提出了一种监测 电动机器的轴电流方案，其轴电流的检测是基于所确定的轴电压和相关轴电流之间的关系 而从被监测的轴电压推断出来，属于一种间接的测量方式，显然在测量弱电流信号时，其精 度和灵敏度将大受影响。如"一种发电机轴电压轴电流在线检测装置（公布号： CN201611383U)"，其特征在于在发电机轴承气端上安装电流互感器来测量轴电流大小。但 是，电流互感器在测量弱电流时精度低、灵敏度差、线性度差;如"一种船舶艉轴电流检测装 置(公布号:CN102508001A)"的主要思想为:在被测船舶艉轴上的轴承座后段上固定安装有 传感器电路单元，采用成品或自行设计的电流传感器;传感器电路单元与船舶艉轴焊接固 定连接或采用滑环固定连接，实现微弱电流的畅通。该装置不能实现快速安装和拆卸，不能 适应维修性要求，并且船舶艉轴所处电磁环境复杂，文中并没有给出如何提高检测装置的 灵敏度和抗干扰能力。
[0006] 对于由于船舶推进轴电流、电机转子轴电流等的测量，采取非接触式测量可以不 影响被测轴的正常运转，并且不需要滑环，减小了维护保养的工作量。此外，船舶推进轴或 电机转子轴的电流都是弱电流信号，但是其所处的电磁环境一般较为复杂，很容易导致测 量装置受干扰，而影响测量精度。在目前公开的测量方法中，并没有哪一种轴电流检测装置 能够快速安装和拆卸、非接触、高精度测量并且抗干扰能力强的测量方案。
[0007] 采用非接触式测量轴电流的方案中，一般是通过测量被测轴电流产生的磁场，从 而反演出电流的大小。常用的磁传感器，如磁通门传感器、磁阻传感器等是一种测量弱磁场 的较好选择，但是单纯通过磁传感器测量被测轴在空气中的磁场，显然会严重影响测量精 度、灵敏度以及分辨率。采用磁聚环将推进轴电流产生的磁场汇聚，再通过磁传感器进行测 量，可以有效地提高测量精度和测量的灵敏度。但是，通常磁聚环都是整环设计，虽然测量 精度较高，但是抗干扰能力略显不足。考虑到船舶推进轴或电机转子轴周围复杂的电磁环 境，要求检测装置抗干扰能力强，并且要求检测装置能快速安装、拆卸和维修等，显然，常规 设计的磁聚环和磁传感器难以满足要求。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是针对船舶推进轴、电机转子轴等大直径轴的弱电流信号的测量， 提供一种适应复杂电磁环境、抗干扰能力强，能快速拆装和维修的测量装置。
[0009] 具体而言，本发明提供了一种非接触式的高精度轴电流测量装置，包括第一磁聚 环Ml、第二聚磁环M2、第一磁传感器MSI、第二磁传感器MS2、信号综合处理电路板5、DSP数字 信号处理电路板6以及本地显示终端7,所述第一磁聚环Ml和第二聚磁环M2在被测轴的外周 形成有两个不同位置的气隙，所述第一磁传感器MSI、第二磁传感器MS2分别设置在上述不 同位置的气隙中，用于分别测量所述气隙中的磁场，输出表征该磁场的电压信号;所述信号 综合处理电路板5用于对该电压信号进行信号调理以及对所述的轴电流测量装置进行供 电；所述DSP数字信号处理电路板6用于对所述的信号综合处理电路板5调理后的电压信号 进行数字采样和处理，并输出所述被测轴的电流数字信号，所述本地显示终端7用于将所述 的电流数字信号进行显示。
[0010] 进一步的，所述第一聚磁环Ml和第二聚磁环M2均为半圆形磁环，两个半圆形聚磁 环对称分布在被测轴的外表面构成聚磁圆环，所述聚磁圆环与所述被测轴之间相隔预定的 安全距离，两个半圆形磁聚环之间具有预定间距的气隙，所述聚磁环用于沿圆周方向汇聚 所述被测轴电流产生的磁场；
[0011] 所述第一磁传感器MSI和所述第二磁传感器MS2分别连接至所述的信号综合处理 电路板5,并且将各自所测得的气隙中的磁感应强度转换为与被测轴电流大小成正比的电 压信号U1A和U2A。
[0012] 进一步的，所述的信号综合处理电路板5包括:EMI滤波器8、第一电源变换模块9、 第二电源变换模块1 〇、第三电源变换模块11、模拟信号采集电路12、模拟信号调理电路13、 差分运算及调理电路14、高精度V/I变换电路15、校正电路16以及置位/复位电路17,所述的 EMI滤波器8用于对外部输入的直流电源进行高频滤波，然后经过所述的第一电源变换模块 9，将所述外部输入的直流电源变换为第一直流电源，给所述的第一磁传感器MSI和第二磁 传感器MS2供电;经过所述第二电源变换模块10,将外部输入的直流电源转换为第二直流电 源，给所述的DSP数字信号处理电路板6供电;经过所述的第三电源变换模块11，将外部输入 的直流电源转换为第三直流电源，为所述的模拟信号采集电路12、模拟信号调理电路13、差 分运算及调理电路14、高精度V/I变换电路15、校正电路16以及置位/复位电路17供电；
[0013] 所述电压信号U1A和U2A经过所述信号综合处理电路板5中的模拟信号采集电路12 进行差分采样，得到信号m B和u2B，然后再经过模拟信号调理电路13进行滤波和放大，得到 模拟信号me和U2C。
[0014] 进一步的，所述电压信号U1A和U2A经过差分运算和调理电路14进行差分运算及信 号的滤波和变换后，得到表征被测轴电流大小的电压信号m2;所述的电压信号u12经过高精 度的V/I变换电路15进行电压到电流的转换，得到标准的电流模拟信号i zl，用于控制或远距 离对外输出，
[0015] 所述的校正电路16对所述的第一磁传感器MSI和第二磁传感器MS2进行偏置量的 校正；
[0016] 所述的置位/复位电路17对所述的第一磁传感器MSI和第二磁传感器MS2进行上电 初始的置位或者复位，使得磁传感器内部的磁畴呈现规则排列。
[0017] 进一步的，所述的DSP数字信号处理电路板6包括:DSP模块18、FPGA模块19、外部高 精度A/D变换模块20、CAN通讯模块21、以太网通讯模块22、串口通讯模块23以及供电电源模 块24，
[0018]所述的供电电源模块24的输入来自所述的第三电源变换模块11，然后将第三直流 电源的电压转换为所述的DSP模块18、FPGA模块19、外部高精度A/D变换模块20、CAN通讯模 块21、以太网通讯模块22以及串口通讯模块23所需的电源电压；
[0019] 所述的模拟信号ulc和u2C经过外部高精度A/D变换模块20后得到离散的数字信号 U1D和U2D，再经过FPGA模块19进行高速采样和均值滤波处理后，得到信号 Ul#pU2E;K述信号 mE和u2E经过DSP模块18进行数字差分运算、偏置量补偿、非线性误差补偿、直流分量与交流 分量分离以及数字FFT分析等处理后得到被测轴电流的直流分量i z_dcl、交流基波分量iz_acl 以及交流谐波分量，测得的轴电流的直流分量iz_dcl、交流基波分量iz_ acl以及交流谐波 分量iz_acn通过CAN通讯模块21、以太网通讯模块22或者串口通讯模块23发送至本地显示终 端7进行显示或者对外输出。
[0020] 特别的，所述DSP数字信号处理电路板6中DSP模块18基于下述计算方法对各磁传 感器输出的电压信号进行差分运算处理：
[0021] 首先，获得各磁传感器的输出电压与磁传感器测量过程中各参数的关系公式(I)
[0022] UiD = U〇D+aHx+0Hx2+ γ Ηχ3+ε(5T)+Hd (I)其中，UiD为各磁传感器的输出电压信号 m经过滤波、放大、A/D变换及调理后得到的数字信号，υ?、α、β和γ分别表示零偏、线性、二 次误差和三次误差系数，ST和ε分别表示温漂及其系数，Hd表示环境干扰磁场，其中Ηχ与被测 轴电流成线性关系；
[0023]将两个所述磁传感器所对应的数字电压信号分别代入上述公式(I)，获得式(II)
[0025] 由于两个传感器的特性基本一致，并且安装的相对位置基本一致，则认为:αι = α2; 如=β2; γ i = γ 2，基于此，分别对上下两个所述磁传感器的输出作差分运算处理，如式 (ΠΙ)所示；
[0026] Δ Ui2 = UiD-U2D = 2aiHx+2 γ iHx3+(Hdi-Hd3) (III)
[0027] 环境干扰磁场在两个磁感器处产生的干扰基本相同，则Hdl = Hd2，由此，式（III)简 化为式(IV)
[0028] AUi2 = 2aiHx+2yiHx3 (IV)
[0029] 对于式（IV)中的非线性误差项2 γιΗχ3,在所述的DSP模块18中进行补偿后得到：Δ U 12 = 2aiHx，从而获得经过差分运算处理后的电压信号，基于该电压信号能够获得被测轴电 流产生的磁场信号，由该磁场信号计算出被测轴电流。
[0030] 特别的，所述的第一聚磁环Ml和第二聚磁环M2采用高磁导率的材质制作;所述的 第一磁传感器MSI和所述第二磁传感器MS2选用高精度、高分辨率、高灵敏度、低噪声的磁传 感器。
[0031] 进一步的，所述的本地显示终端7采用液晶显示屏，能够显示被测轴的电流，包括 被测轴电流的直流分量、交流基波分量及交流谐波分量，通过所述的本地显示终端7能够对 所述的测量装置的内部参数进行在线修改和在线标定。
[0032]本发明的优点在于：
[0033] 1)本发明所述的测量装置精度高、线性度好、分辨率高、响应速度快、频率特性好。
[0034] 2)本发明所述的测量装置采用的磁聚环结构呈对称形式，采用的磁传感器体积 小，便于安装和拆卸。
[0035] 3)本发明所述的测量装置采用2个磁聚环和2个磁传感器呈对称布置，采用差分法 可以进一步提高测量精度，并且抗干扰能力增强，非常适合复杂的电磁环境中弱电流信号 的测量。
[0036] 4)本发明所述的测量装置采用的2个磁聚环组合形成一个圆形磁环，能适应被测 电流源的各种尺寸和形状，并且可以快速安装和拆卸，方便维修，特别适合船舶推进轴、电 机转子轴等旋转轴的电流测量。
[0037] 5)本发明所述的测量装置具有普遍适用性，可以进一步推广到采用m个磁聚环和m 个磁传感器对称布置(m为不小于2的偶数），每一个磁传感器置于相邻两个磁聚环的气隙之 间，通过多重差分技术提高测量精度和抗干扰能力。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明的测量装置的组成示意图。
[0039]图2为本发明的测量装置的具体工作流程图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明。
[0041] 图1给出本发明所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置。
[0042] 如图1所示，该非接触式的高精度轴电流测量装置，包括第一磁聚环Ml(l)、第二聚 磁环M2(2)、第一磁传感器MSI (3)、第二磁传感器MS2(4)、信号综合处理电路板5、DSP数字信 号处理电路板6以及本地显示终端7。
[0043]所述的第一聚磁环Ml(l)和第二聚磁环M2(2)采用高磁导率的材质制作，如铁基非 晶或者铁基纳米晶；所述的第一磁传感器MS1(3)和所述第二磁传感器MS2(4)选用高精度、 高分辨率、高灵敏度、低噪声的磁传感器，如磁阻传感器或磁通门传感器。
[0044]所述的信号综合处理电路板5包括:EMI滤波器8、第一电源变换模块9、第二电源变 换模块10、第三电源变换模块11、模拟信号采集电路12、模拟信号调理电路13、差分运算及 调理电路14、高精度V/I变换电路15、校正电路16以及置位/复位电路17。
[0045]所述的DSP数字信号处理电路板6包括DSP模块18、FPGA模块19、外部高精度A/D变 换模块20、CAN通讯模块21、以太网通讯模块22、串口通讯模块23以及供电电源模块24。所述 的DSP模块18可以采用DSP28335。
[0046] 所述的本地显示终端7采用液晶显示屏，能够显示被测轴的电流，包括被测轴电流 的直流分量、交流基波分量及交流谐波分量，通过所述的本地显示终端7能够对所述的测量 装置的内部参数进行在线修改和在线标定。
[0047] 所述第一聚磁环Ml和第二聚磁环M2均为半圆形磁芯，两个磁聚集环对称分布在被 测轴的外表面构成聚磁圆环，两个聚磁环所构成的圆环与所述被测轴之间相隔预定的安全 距离，两个半圆形磁聚环之间具有预定间距的气隙，所述聚磁环用于沿圆周方向汇聚所述 被测轴产生的磁场；
[0048] 所述第一磁传感器MSI和所述第二磁传感器MS2插入在所述第一聚磁环Ml和第二 聚磁环M2之间的气隙中。两个所述磁传感器分别测量上下气隙中的磁场大小；
[0049] 所述第一磁传感器MSI和所述第二磁传感器MS2分别连接至所述的信号综合处理 电路板5,并且将各自所测得的气隙中的磁感应强度转换为与被测轴电流大小成正比的电 压信号U1A和U2A。一方面，电压信号U1A和U2A经过信号综合处理电路板5中的模拟信号米集电 路12进行差分采样，得到信号U 1B和U2B，然后再经过模拟信号调理电路13进行滤波和放大， 得到信号咖和咖;信号u1G和u 2G经过外部高精度A/D变换模块20后得到离散的数字信号u1D 和U2D，再经过FPGA模块19进行高速米样和均值滤波处理后，得到信号U1E和U2E;信号U1E和U2E 经过DSP模块18进行数字差分运算、偏置量补偿、非线性误差补偿、直流分量与交流分量分 离以及数字FFT分析等处理后得到被测轴电流的直流分量i z_dcl、交流基波分量iz_acl以及交 流谐波分量i z_ac；n(n为谐波次数），测得的轴电流的直流分量iz+cbi、交流基波分量iz_ ac；i以及 交流谐波分量iz_acn(n为谐波次数)可以通过CAN通讯模块21、以太网通讯模块22或者串口通 讯模块23发送至本地显示终端7显示或者对外输出；
[0050] 另一方面，电压信号U1A和U2A经过差分运算和调理电路14进行差分运算及信号的 滤波及变换后，得到表征被测轴电流大小的信号u 12;电压信号u12;经过高精度的V/I变换电 路15进行电压到电流的转换，得到标准的电流模拟信号i zl，对外输出。
[0051] 所述的EMI滤波器8用于对外部输入的DC24V进行高频滤波，然后经过所述的第一 电源变换模块10,将DC24V变换为+5V，给所述的第一磁传感器MSI和第二磁传感器MS2供电； 经过所述的第二电源变换模块11，将DC24V变换为± 12V，为所述的模拟信号采集电路12、模 拟信号调理电路13、差分运算及调理电路14、高精度V/I变换电路15、校正电路16以及置位/ 复位电路17供电；经过所述第三电源变换模块11，将DC24V变换为+5V，给所述的DSP数字信 号处理电路板6供电；
[0052] 所述的校正电路16主要是对所述的第一磁传感器MSI和第二磁传感器MS2进行偏 置量的校正；
[0053] 所述的置位/复位电路17主要是对所述的第一磁传感器MSI和第二磁传感器MS2进 行上电初始的置位或者复位，使得磁传感器内部的磁畴呈现规则排列，从而使得磁传感器 的灵敏度、噪音等特性达到最优的使用状态；
[0054]所述的DSP数字信号处理电路板6包括:DSP模块18、FPGA模块19、外部高精度A/D变 换模块20、CAN通讯模块21、以太网通讯模块22、串口通讯模块23以及供电电源模块24; [0055]所述的供电电源模块24的输入来自所述的第三电源变换模块11，然后将+5V变为+ 3.3V、+1.8V、+5V基准电压，为所述的DSP模块18、FPGA模块19、外部高精度A/D变换模块20、 CAN通讯模块21、以太网通讯模块22以及串口通讯模块23供电。
[0056]图2给出本发明的非接触式的高精度轴电流测量装置工作流程如下：
[0057] 1)初始化磁传感器MS1、MS2,初始化DSP、FPGA及A/D变换模块；
[0058] 2)通过磁传感器MSI和MS2分别测量上下两个气隙中的磁场大小，分别输出电压信 号U1和U2 ;
[0059] 3)对u#Pu2进行模拟信号采集，得到电压模拟信号ul^Pu2A;-方面经过低通滤波 和放大后得到模拟信号uie和U2C;
[0060] 4)通过外部高精度A/D变换模块，将模拟电压信号ulc和u2C变换为数字电压信号u 1D 和U2D ;
[0061] 5)通过FPGA模块对数字电压信号U1D和U2D进行高速采集，并进行均值滤波处理，得 到数字信号m#Pu 2E，并送入DSP模块进行运算和处理。
[0062] 6)在DSP模块中首先对两路电压信号进行差分运算，其运算步骤为：
[0063]首先，获得各磁传感器的输出电压与磁传感器测量过程中各参数的关系公式(I) [0064] UiD = U〇D+aHx+0Hx2+ γ Ηχ3+ε(5T)+Hd (I)其中，U iD为各磁传感器的输出电压信号 m经过滤波、放大、A/D变换及调理后得到的数字信号，υ?、α、β和γ分别表示零偏、线性、二 次误差和三次误差系数，ST和ε分别表示温漂及其系数，Hd表示环境干扰磁场，其中Ηχ与被测 轴电流成线性关系；
[0065]将两个所述磁传感器所对应的数字电压信号分别代入上述公式(I)，获得式(II)
[0067] 由于两个传感器的特性基本一致，并且安装的相对位置基本一致，则可以认为:αι = = ^ γι= γ2,基于此，分别对上下两个所述磁传感器的输出作差分运算处理，如式 (ΠΙ)所示。
[0068] Δ U12 = U1D-U2D = 2αιΗχ+2 γ ιΗχ3+(Hdi-Hd3 )(111)
[0069] 可以认为环境干扰磁场在两个磁感器处产生的干扰基本相同，则Hdl = Hd2,由此， 式(III)可以简化为式(IV)。
[0070] AUi2 = 2aiHx+2yiHx3 (IV)
[0071] 对于式（IV)中的非线性误差项2 γιΗχ3,在DSP模块中进行补偿，可以近似消除，因 此，可以得到：A U12 = 2aiHx，从而获得经过差分运算处理后的电压信号，基于该电压信号可 以获得由轴电流产生的环路磁场信号，由该磁场信号可以计算出轴电流。
[0072] 7)在DSP中对轴电流进行解算，通过数字FFT分析，得到轴电流直流分量、轴电流交 流基波分量及轴电流谐波分量。
[0073]由于被测轴电流产生的环路磁场Hx正比于轴电流Ix，结合式（IV)，即可解算出轴电 流的大小。考虑到被测轴电流包含直流分量和交变分量，还需要对轴电流进行数字FFT分 析，分离出直流分量和交流分量。
[0074] 8)最后，通过CAN、以太网或串口通讯的方式，一方面将被测轴电流的直流分量、交 流基波分量及交流谐波分量发送至本地显示终端显示；另一方面发送至上位机或其它需要 的设备。
[0075]在步骤3)中，对udPu2进行模拟信号采集，得到电压模拟信号m/^U2A; -方面经过 低通滤波和放大后得到模拟信号me和U2C;另外一方面对两路模拟信号UU和U2A进行电路上 的差分运算后，得到差分电压信号，再通过高精度V/I变换电路及调理电路将该信号变换为 标准的电流信号，该信号主要是利于远距离对外传输，以及发送至其它所需的装置进行相 应的控制或保护。
[0076]本发明不仅局限于上述【具体实施方式】，本领域一般技术人员根据实施例和附图公 开内容，可以采用其它多种【具体实施方式】实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和 思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
【主权项】
1. 一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在于，包括第一磁聚环Ml (1)、第二 聚磁环M2(2)、第一磁传感器151(3)、第二磁传感器152(4)、信号综合处理电路板巧）、05口数 字信号处理电路板(6) W及本地显示终端(7)，所述第一磁聚环Ml(l)和第二聚磁环M2(2)在 被测轴的外周形成有两个不同位置的气隙，所述第一磁传感器MSU3)、第二磁传感器MS2 (4)分别设置在上述不同位置的气隙中，用于分别测量所述气隙中的磁场，输出表征该磁场 的电压信号；所述信号综合处理电路板(5)用于对该电压信号进行信号调理W及对所述的 轴电流测量装置进行供电;所述DSP数字信号处理电路板(6)用于对所述的信号综合处理电 路板(5)调理后的电压信号进行数字采样和处理，并输出所述被测轴的电流数字信号，所述 本地显示终端(7)用于将所述的电流数字信号进行显示。2. 如权利要求1所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在于，所述第一 聚磁环Ml(l)和第二聚磁环M2(2)均为半圆形磁环，两个半圆形聚磁环对称分布在被测轴的 外表面构成聚磁圆环，所述聚磁圆环与所述被测轴之间相隔预定的安全距离，两个半圆形 磁聚环之间具有预定间距的气隙，所述聚磁环用于沿圆周方向汇聚所述被测轴电流产生的 磁场； 所述第一磁传感器MS1(3)和所述第二磁传感器MS2(4)分别连接至所述的信号综合处 理电路板(5)，并且将各自所测得的气隙中的磁感应强度转换为与被测轴电流大小成正比 的电压信号U1A和U2A。3. 如权利要求2所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在于，所述的信 号综合处理电路板（5)包括:EMI滤波器（8)、第一电源变换模块（9)、第二电源变换模块 (10)、第Ξ电源变换模块（11)、模拟信号采集电路（12)、模拟信号调理电路（13)、差分运算 及调理电路（14)、高精度V/I变换电路（15)、校正电路（16) W及置位/复位电路(17)，所述的 EMI滤波器(8)用于对外部输入的直流电源进行高频滤波，然后经过所述的第一电源变换模 块(9)，将所述外部输入的直流电源变换为第一直流电源，给所述的第一磁传感器MS1(3)和 第二磁传感器MS2(4)供电；经过所述第二电源变换模块（10)，将外部输入的直流电源转换 为第二直流电源，给所述的DSP数字信号处理电路板(6)供电；经过所述的第Ξ电源变换模 块(11)，将外部输入的直流电源转换为第Ξ直流电源，为所述的模拟信号采集电路(12)、模 拟信号调理电路（13)、差分运算及调理电路（14)、高精度V/I变换电路（15)、校正电路（16) W及置位/复位电路(17)供电； 所述电压信号U1A和U2A经过所述信号综合处理电路板(5)中的模拟信号采集电路(12)进 行差分采样，得到信号U1B和U2B，然后再经过模拟信号调理电路（13)进行滤波和放大，得到 模拟信号U1C和U2C。4. 如权利要求3所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在于，所述电压 信号U1A和U2A经过差分运算和调理电路（14)进行差分运算及信号的滤波和变换后，得到表 征被测轴电流大小的电压信号U12;所述的电压信号U12经过高精度的V/1变换电路（15)进行 电压到电流的转换，得到标准的电流模拟信号izi，用于控制或远距离对外输出， 所述的校正电路（16)对所述的第一磁传感器MS1(3)和第二磁传感器MS2(4)进行偏置 量的校正； 所述的置位/复位电路（17)对所述的第一磁传感器MSI (3)和第二磁传感器MS2(4)进行 上电初始的置位或者复位，使得磁传感器内部的磁畴呈现规则排列。5. 如权利要求4所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在于，所述的 DSP数字信号处理电路板(6)包括:DSP模块（18)、FPGA模块（19)、外部高精度A/D变换模块 (20)、CAN通讯模块(21)、W太网通讯模块(22)、串口通讯模块(23) W及供电电源模块(24)， 所述的供电电源模块(24)的输入来自所述的第Ξ电源变换模块（11)，然后将第Ξ直流 电源的电压转换为所述的DSP模块（18)、FPGA模块（19)、外部高精度A/D变换模块(20)、CAN 通讯模块(21)、W太网通讯模块(22) W及串口通讯模块(23)所需的电源电压； 所述的模拟信号me和U2C经过外部高精度A/D变换模块(20)后得到离散的数字信号U1D 和化D，再经过FPGA模块（19)进行高速采样和均值滤波处理后，得到信号山E和U2E;所述信号 me和U2E经过DSP模块（18)进行数字差分运算、偏置量补偿、非线性误差补偿、直流分量与交 流分量分离W及数字F F T分析等处理后得到被测轴电流的直流分量i Z _ d。1、交流基波分量 iz_ac拟及交流谐波分量iz_acn，测得的轴电流的直流分量iz_dcl、交流基波分量iz_a。拟及交流 谐波分量iz_acn通过CAN通讯模块(21)、W太网通讯模块(22)或者串口通讯模块(23)发送至 本地显示终端(7)进行显示或者对外输出。6. 如权利要求5所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在于，所述DSP 数字信号处理电路板(6)中DSP模块（18)基于下述计算方法对各磁传感器输出的电压信号 进行差分运算处理： 首先，获得各磁传感器的输出电压与磁传感器测量过程中各参数的关系公式(I) UiD = U〇D+aHx+册 χ2+ 丫出3+ε (δτ) +出 （I) 其中，UiD为各磁传感器的输出电压信号m经过滤波、放大、A/D变换及调理后得到的数 字信号，υ〇η、α、β和丫分别表示零偏、线性、二次误差和立次误差系数，δΤ和ε分别表示溫漂及 其系数，曲表示环境干扰磁场，其中出与被测轴电流成线性关系； 将两个所述磁传感器所对应的数字电压信号分别代入上述公式(I)，获得式(II)由于两个传感器的特性基本一致，并且安装的相对位置基本一致，则认为:cti = 02 ;βι = 02; 丫 1= 丫 2,基于此，分别对上下两个所述磁传感器的输出作差分运算处理，如式（III)所 示； (III) 环境干扰磁场在两个磁感器处产生的干扰基本相同，贝贴1 =出2,由此，式（III)简化为 式(TV)(IV) 对于式（IV)中的非线性误差项2 υιΗΛ在所述的DSP模块（18)中进行补偿后得到：Δ化2 =化1出，从而获得经过差分运算处理后的电压信号，基于该电压信号能够获得被测轴电流 产生的磁场信号，由该磁场信号计算出被测轴电流。7. 如权利要求1-6任意一项所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在 于，所述的第一聚磁环Ml(l)和第二聚磁环M2(2)采用高磁导率的材质制作;所述的第一磁 传感器MSI (3)和所述第二磁传感器MS2 (4)选用高精度、高分辨率、高灵敏度、低噪声的磁传 感器。8.如权利要求1-6任意一项所述的一种非接触式的高精度轴电流测量装置，其特征在 于，所述的本地显示终端（7)采用液晶显示屏，能够显示被测轴的电流，包括被测轴电流的 直流分量、交流基波分量及交流谐波分量，通过所述的本地显示终端(7)能够对所述的测量 装置的内部参数进行在线修改和在线标定。
【文档编号】G01R19/25GK106093548SQ201610630908
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月4日 公开号201610630908.X, CN 106093548 A, CN 106093548A, CN 201610630908, CN-A-106093548, CN106093548 A, CN106093548A, CN201610630908, CN201610630908.X
【发明人】徐林, 耿攀, 余定峰, 左超, 杨文铁, 杨勇, 张平, 王建勋, 孙瑜, 魏华, 徐正喜, 陈涛, 罗伟, 李文华, 郑中详, 谢炜, 姜波, 吴浩伟, 吴大立, 蔡凯, 余跃听, 雷津, 袁阳
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一九研究所