交直流磁通门电流传感器的制造方法
【专利摘要】交直流磁通门电流传感器，包含磁通门检测探头和信号处理电路，磁通门检测探头由一个主磁芯、聚磁磁芯、激励绕组、反馈绕组和二次侧绕组构成；信号处理电路由激励电路和零磁通检测电路组成，激励电路包括激励信号发生电路和信号驱动电路，激励信号发生电路中具有采样电阻，零磁通检测电路包括积分比较器电路和H桥驱动电路。
【专利说明】
交直流磁通门电流传感器
技术领域
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[0001]本实用新型是属于测量电流的装置，具体地说一种磁通门电流传感器。
【背景技术】
[0002]磁通门电流传感器作为一种电隔离是电流传感器，凭借其独特的磁感应能力、对施加磁场高灵敏度、高精度和小型化的特点，相对而言具有突出的研发和应用优势。
[0003]现有的磁通门电流传感器包括一个环形磁芯和激励绕组、反馈绕组，该磁芯在交变激励磁场的作用下呈现周期性饱和与不饱和状态，从而基于磁通门原理检测直流和低频交流；
[0004]现有的磁通门传感器有激励绕组和反馈绕组正交布置和平行布置两种方式，现有常用于电流检测的是激励绕组和反馈绕组平行布置的方式，但是这种布置方式，激励绕组和反馈绕组产生的磁场相互耦合，影响测量精度。同时该布置方式的磁通门电流传感器，只适用于检测直流和低频交流。
[0005]激励绕组和反馈绕组采用正交布置方式，虽然可以克服磁场相互耦合现象，但由于该布置方式中电流产生的磁场是开路的，导致磁阻很大，因此只适用于弱磁场的测量，尚未有用于电流检测的先例。本实用新型基于两种传感器的缺点，提出了一种用于电流检测的采用激励绕组和反馈绕组正交布置的方式磁通门电流传感器，同时引入聚磁磁芯，达到了检测高频交流的目的。
[0006]
【申请人】在先申请的中国专利申请CN104808042A公开了一种采用正交布置的磁通门传感器，该文献公开的磁通门传感器的探头由一个聚磁壳加环形磁芯和激励绕组加二次反馈绕组组成，可以消除测量过程中的误差，提高测量精度，但是该磁通门传感器的检测带宽还是较窄，无法对高频交流电进行检测。
[0007]因此提供一种能够克服上述现有技术缺陷，能的测量，检测精度高，且量程较大的磁通门电流传感器成为现有技术中亟待解决的问题。
【实用新型内容】
[0008]为解决上述技术问题，本实用新型的采用电机技术方案是:
[0009]提供一种交直流磁通门电流传感器，所述交直流磁通门电流传感器，包含磁通门检测探头7和信号处理电路16，其特征是所述磁通门检测探头由一个主磁芯1、聚磁磁芯2、激励绕组4、反馈绕组5和二次侧绕组6构成；
[0010]主磁芯和聚磁磁芯均为环型磁芯，聚磁磁芯套在主磁芯外部且两者同轴，激励绕组为单根导线沿着主磁芯圆周方向均匀缠绕形成的绕组，二次侧绕组为单根导线沿聚磁磁芯径向均匀缠绕形成的绕组，反馈绕组为单根导线沿向将环形磁芯I和聚磁磁芯2—并缠绕形成的绕组；
[0011]信号处理电路16由激励电路14和零磁通检测电路15组成；
[0012]激励电路包括激励信号发生电路10和信号驱动电路11，激励信号发生电路中具有采样电阻Rs，激励信号发生电路10的输出端连接着信号驱动电路11的输入端；
[0013]激励绕组4一端与激励信号发生电路的输入端连接并经采样电阻接地，另一端连接着信号驱动电路11输出端；
[0014]零磁通检测电路15包括积分比较器电路12和H桥驱动电路13，H桥驱动电路中具有测量电阻Rf ；
[0015]积分比较器电路12的输入端和信号驱动电路11的输出端相连，积分比较器电路的输出端和H桥驱动电路13的输入端相连，H桥驱动电路13的输出端连接反馈绕组5的一端，反馈绕组5的另一端通过H桥驱动电路13中的测量电阻Rf接地，同时反馈绕组5的另一端还连接着磁通门检测探头7中的二次侧绕组6，二次侧绕组6的另一端接地。
[0016]所述的交直流磁通门电流传感器，其特征是主磁芯的高度H1与聚磁磁芯的高度H2相等。聚磁磁芯的内径d2大于主磁芯的外径Dl，d2-Di < 2mm。
[0017]所述的交直流磁通门电流传感器，其特征是所述的激励信号发生电路选自方波信号发生电路、三角波信号发生电路、正弦波信号发生电路中的一种，优选为方波信号发生电路。
[0018]所述的方波信号发生电路采用型号为LM6132的方波信号发生芯片。
[0019]所述信号驱动电路采用型号为IR2101S的功率放大芯片。
[0020]所述积分比较器电路采用型号为TLC2652积分比较器芯片。
[0021]本实用新型提供交直流磁通门电流传感器具有以下有益效果:
[0022](I)传统的磁通门电流传感器包括一个环形磁芯，该磁芯在交变激励磁场的作用下呈现周期性饱和与不饱和状态，从而基于磁通门原理检测直流和低频交流，实现传统磁通门电流传感器的功能；区别于传统磁通门的结构与工作原理，本实用新型提供的交直流磁通门电流传感器(以下简称传感器)在传统磁通门电流传感器的基础上，用激励绕组和反馈绕组正交布置的方式，有效地减少了两磁场间的耦合;同时引入了一个聚磁磁芯，有效地聚集激励绕组产生的磁场，减少了激励绕组的安匝数，且能够有效地屏蔽了外界杂散磁场的干扰，降低了传感器探头的体积，提高了其检测灵敏性和抗干扰能力。
[0023](2)增加了二次侧绕组，使传感器还能够测量中频和高频交流电流，扩展了电流测量的带宽。
[0024](3)采用沿着磁芯径向将两个磁芯一并缠绕起来的反馈绕组和沿着环形磁芯圆周方向缠绕的激励绕组正交分布的方式，使得两绕组产生的磁场有效聚集于环形磁芯中并且彼此正交，达到了减小磁势并且解除两磁场间的耦合的目的，从而提高了传感器的灵敏度、测量精度、线性度，减小了磁滞现象对传感器的影响。
【附图说明】
[0025]图1是本实用新型【具体实施方式】提供的交直流磁通门电流传感器的整体结构示意图；
[0026]图2是本实用新型【具体实施方式】提供的交直流磁通门电流传感器的磁通门检测探头结构示意图；
[0027]图3是【具体实施方式】提供的交直流磁通门电流传感器的激励电路示意图。
[0028]图4是【具体实施方式】提供的交直流磁通门电流传感器的积分比较器电路示意图。[0029 ]图5是本实用新型实施例和对比例提供的交直流磁通门电流传感器输入输出特性曲线对比图。
[0030]图6是本实用新型实施例和对比例提供的交直流磁通门电流传感器相对误差曲线对比图。
[0031]图7是本实用新型实施例提供的交直流磁通门电流传感器的频率响应曲线图。
[0032]图中，I是环形磁芯，2是聚磁磁芯，3是被测绕组，4是激励绕组，5是反馈绕组，6是二次侧绕组，7是磁通门检测探头，8是测量电阻，10是激励信号发生电路，101是方波信号发生芯片，11是?目号驱动电路，111是功率放大芯片，12是积分比较电路，13是H桥驱动电路，14是激励电路，15是零磁通检测电路，16是彳目号处理电路。
【具体实施方式】
[0033]本实用新型提供的交直流磁通门电流传感器的整体结构如图1所示；
[0034]本实用新型提供的交直流磁通门传感器，包含磁通门检测探头7和信号处理电路16，所述磁通门检测探头由一个主磁芯1、聚磁磁芯2、激励绕组4、反馈绕组5和二次侧绕组6构成；
[0035]主磁芯和聚磁磁芯均为环型磁芯，聚磁磁芯套在主磁芯外部且两者同轴，通过待测电流的待测绕组3沿轴向从主磁芯中心轴通过
[0036]激励绕组为单根导线沿着主磁芯圆周方向均匀缠绕形成的绕组，
[0037]二次侧绕组为单根导线沿聚磁磁芯径向均匀缠绕形成的绕组，
[0038]反馈绕组为单根导线沿向将环形磁芯I和聚磁磁芯2—并缠绕形成的绕组；
[0039]信号处理电路16由激励电路14和零磁通检测电路15组成；
[0040]激励电路包括激励信号发生电路10和信号驱动电路11，激励信号发生电路中具有采样电阻Rs，激励信号发生电路10的输出端连接着信号驱动电路11的输入端；
[0041]激励绕组4一端与激励信号发生电路的输入端连接并经采样电阻接地，另一端连接着信号驱动电路11输出端；
[0042]零磁通检测电路15包括积分比较器电路12和H桥驱动电路13，H桥驱动电路中具有测量电阻Rf ；
[0043]积分比较器电路12的输入端和信号驱动电路11的输出端相连，积分比较器电路的输出端和H桥驱动电路13的输入端相连，H桥驱动电路13的输出端连接反馈绕组5的一端，反馈绕组5的另一端通过H桥驱动电路13中的测量电阻Rf接地，同时反馈绕组5的另一端连接着磁通门检测探头7中的二次侧绕组6，二次侧绕组6的另一端接地。
[0044]磁通门检测探头结构如图2所示。Ihlplf和Is分别为激励绕组电流、待测电流、反馈绕组电流和二次侧绕组电流，激励绕组4、待测绕组3、反馈绕组5和二次侧绕组6的匝数分别为Ne、NP、Nf和Ns，反馈绕组5和激励绕组4正交，使得两绕组产生的磁场有效聚集于主磁芯中并且彼此正交，从而达到了解除两磁场间的耦合的目的，使得测量的灵敏度和线性度提尚O
[0045]所述激励电路如图3所示，激励电路中的激励信号发生电路为方波信号发生电路，激励电路包括用于方波信号发生电路的方波信号发生芯片101和用于信号驱动电路的功率放大芯片111。
[0046]所述方波信号发生芯片的型号为LM6132，具有8个引脚，分别输出端A(0UTA)、反相输入端A(_IN A)、同相输出端A(+IN A)、电源负极端(V—)、电源正极端(V+)、输出端B(0UTB)、反相负极输入端B(-1N B)和同相输入端B(+IN B)，V+和V—分别与直流电源的正负极连接，V—和V+还分别与容量均为0.1yF的第一稳压电容(^和第二稳压电容(:2并联，第一稳压电容&和第二稳压电容&另一端分别接地，OUT A与-1NA短接后再通过阻值为2.9K的第一电阻仏与-1N B连接，+IN A并联激励信号发生电路的输入端和阻值为20ΚΩ的采样电阻Rs的一端，采样电阻Rs另一端接地，激励信号发生电路的输入端与激励绕组4的一端连接;+IN B并联连接第二电阻R2和第三电阻R3,R2阻值为1.8K Ω且另一端接地，R3阻值为13.5K Ω且另一端与OUT B和激励信号发生电路的输出端并联连接，
[0047]所述功率放大芯片型号为IR2101S，具有8个引脚，分别为正极供电端(Vcc)、高电平输入端(HIN)、低电平输入端(LIN)、公共端(COM)、低电平输出端(LO)、高电平悬空电源偏移电压(Vs)、高电平输出端(HO)、高电平悬空电源电压(Vb)，所述HIN与信号驱动电路的输入端连接，信号驱动电路的输入端与激励信号发生电路的输出端连接;Vcc连接直流电源正极，直流电源正极还通过一个型号为1N4106的二极管0!与￥8连接，Vb再通过一个电容值为
0.1yF的第三稳压电容C3与Vs连接;LIN悬空，HO连接信号驱动电路的输出端并通过输出端与激励绕组的另一端连接，COM与直流电源的负极连接，LO接地。
[0048]所述积分比较器电路如图4所示，包括型号为TLC2652积分比较器芯片121，所述积分比较器芯片包括8个引脚，分别为同相输入(IN+)、反相输入(IN-)、正极供电端(VDD+)、负极供电端(VDD-)、输出端(OUT)，钳位端(CLAMP)、滤波电容接入端A(Cxa)和滤波电容接入端B(Cxb)，
[0049]Cxa经串联的第五稳压电容C5(0.1yF)和第六稳压电容C6(电容值为0.0lyF)后接地，在CdPC6之间连接电容第七稳压电容C7(电容值为0.0lyF)，C7的另一端连接CXB，IN-与第四电阻R4(阻值为1KΩ )和第四稳压电容C4(电容值为0.0lyF)相连，R4的连接信号驱动电路的输出端，第四稳压电容C4的另一端并联连接OUT和测量电阻Rf(阻值为200 Ω )，Rf的另一端与H桥驱动电路的输入端连接，IN+经第五电阻R5(阻值为10.2K Ω )接地，VDD-连接直流电源负极，CLAMP悬空，VDD+连接的直流电源正极。
[0050]实施例
[0051 ] 主磁芯外形参数为:内径di = 9mm、外径Di = 18mm和高度Hi = 10mm。
[0052]聚磁磁芯外形参数为:内径d2 = 20mm、外径D2 = 30mm和高度H2 = 10mm。主磁芯与聚磁磁芯同轴等高
[0053]待测绕组匝数NP=1，即为沿主磁芯中心轴线穿过的单根导线；
[0054]激励绕组匝数Ne = 50(40?50); 二次侧绕组匝数Ns = 200(150?200);反馈绕组匝数 Nf=150(100 ?150)。
[0055]本实施例中主磁芯与聚磁磁芯的材料为铁基纳米晶软磁材料，其饱和磁通密度为83 = 1.21'，矫顽力凡〈54/111，饱和磁致伸缩系数为3=10—8?10—6，磁导率为15000?150000!1/m，铁芯损耗(I OOKHz, 0.3T) PFe = 80ff/Kg 0
[0056]上述磁通门电流传感器，所述全部绕组均采用直径为0.3mm的漆包线。采用直流电源为15V直流电源。激励绕组两端的激励电压信号为频率f = 1kHz,幅值±15V的方波信号
[0057]对比例
[0058]对比例中的反馈绕组为在激励绕组缠好后，再用一根导线沿着磁芯圆周方向将主磁芯缠绕起来，对比例中反馈绕组的匝数N’f=Nf，使激励绕组和反馈绕组平行分布，其他同实施例。
[0059]本实用新型实施例和对比例在被测电流^范围从OA到25A时，输入输出特性曲线对比如图5所示。图中输出电压即测量电阻两端的电压，从图可以看出，激励绕组和反馈绕组平行分布的对比例提供的磁通门电流传感器的灵敏度较低，且准确度和线性度较差;而采用激励绕组和反馈绕组正交分布的实施例磁通门电流传感器，由于反馈绕组和激励绕组构成正交分布，使得两绕组产生的磁场有效聚集于主磁芯中并且彼此正交，从而达到了解除两磁场间的耦合的目的，使得测量的灵敏度和线性度大大提高。
[0060]用输出电压的理论值减去实际值，再除以实际值便可相对误差，被测电流Ip范围从OA到25A时实施例与对比例的误差曲线对比图如图6所示。图中可以看出，本实用新型实施例的相对误差在± 0.4 %，而对比例的相对误差则超过±0.12%。
[0061]本实用新型实施例的频率响应曲线如图7所示。图中可以看出采用本实用新型提供的所发明实施例提供的的磁通门电流传感器在待测电流频率小于40KHz时的信号衰减小于5dB，可以适用于频率不高于40KHz的电流检测，该频率基本与采用磁芯的工作频率一致。
[0062]上述实施例中使用的原材料和零部件均通过商购途径获得，所有的电路图也是现有的公知技术，带聚磁磁芯且绕组正交分布的磁通门电流传感器的组装方法，测量方法和过程是本技术领域的所容易掌握的。
【主权项】
1.交直流磁通门电流传感器，包含磁通门检测探头和信号处理电路，其特征是所述磁通门检测探头由一个主磁芯、聚磁磁芯、激励绕组、反馈绕组和二次侧绕组构成； 主磁芯和聚磁磁芯均为环型磁芯，聚磁磁芯套在主磁芯外部且两者同轴，激励绕组为单根导线沿着主磁芯圆周方向均匀缠绕形成的绕组，二次侧绕组为单根导线沿聚磁磁芯径向均匀缠绕形成的绕组，反馈绕组为单根导线沿向将环形磁芯和聚磁磁芯一并缠绕形成的绕组； 信号处理电路由激励电路和零磁通检测电路组成，激励电路包括激励信号发生电路和信号驱动电路，激励信号发生电路中具有采样电阻，激励信号发生电路的输出端连接着信号驱动电路的输入端；激励绕组一端与激励信号发生电路的输入端连接并经采样电阻接地，另一端连接着信号驱动电路输出端;零磁通检测电路包括积分比较器电路和H桥驱动电路，H桥驱动电路中具有测量电阻；积分比较器电路的输入端和信号驱动电路的输出端相连，积分比较器电路的输出端和H桥驱动电路的输入端相连，H桥驱动电路的输出端连接反馈绕组的一端，反馈绕组的另一端通过H桥驱动电路中的测量电阻接地，同时反馈绕组的另一端连接着磁通门检测探头中的二次侧绕组，二次侧绕组的另一端接地。2.如权利要求1所述的交直流磁通门电流传感器，其特征是主磁芯的高度^与聚磁磁芯的高度H2相等，聚磁磁芯的内径d2大于主磁芯的外径Di，d2-Di < 2mm。3.如权利要求1所述的交直流磁通门电流传感器，其特征是所述的激励信号发生电路选自方波信号发生电路、三角波信号发生电路、正弦波信号发生电路中的一种。4.如权利要求1所述交直流磁通门电流传感器，其特征所述的激励信号发生电路为方波信号发生电路。5.如权利要求4所述的交直流磁通门电流传感器，其特征是方波信号发生电路采用型号为LM6132的方波信号发生芯片。6.如权利要求1?5任一所述的交直流磁通门电流传感器，其特征是所述信号驱动电路采用型号为IR2101S的功率放大芯片。7.如权利要求1?5任一所述的交直流磁通门电流传感器，其特征是所述积分比较器电路采用型号为TLC2652积分比较器芯片。
【文档编号】G01R19/00GK205506904SQ201620185115
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】杨晓光, 郭伟, 宋海鹏, 朱波, 李丛丛
【申请人】河北工业大学