[发明专利]一种单磁芯准数字式直流大电流传感器

说明书

技术领域

本发明属于直流大电流测量领域，尤其涉及一种单磁芯准数字式直流大电流传感器。

背景技术

直流大电流测量广泛应用于电气或电子设备中用于能量管理、反馈控制或监控保护。目前能够实现直流大电流测量的方法有多种，已经实现产品化的主要包括分流器法、霍尔效应法、各向异性磁阻效应法、巨磁阻效应法、磁通门效应法和法拉第磁光效应法。利用这些方法制成的电流传感器各具特色，广泛应用于各领域中。但是这些传统传感器的输出均为模拟量，即电流量或电压量，当传感器需要与数字系统连接时，必须对传感器输出的模拟量进行A/D转换。A/D转换器的加入在增加成本的同时会造成电路结构复杂，可靠性降低，最重要的是可能会引入额外的测量误差。

解决该问题的一个办法是研制准数字式直流电流传感器。目前，国内外已有通过测量压电陶瓷悬臂梁的谐振频率进行直流电流测量的文献报道，但由于测量原理所限，这些方法只能测量毫安量级的小电流，测量精度差且仅停留在实验室阶段。因此，有必要研究新的可用于直流大电流测量的准数字式直流电流测量方法。

一种可能的解决方案是采用由非线性互感器和电压比较器构成的RL多谐振荡器。图1所示为已有的应用RL多谐振荡器原理的直流电流传感器原理框图，主要构成包括由非线性互感器T和电压比较器CMP组成的RL多谐振荡器A1、稳压管限幅电路B1、有源或无源低通滤波器C1。这种传感器的基本原理是根据非线性互感器副边绕组W_S的激磁电流i_ex与原边被测电流I_P之间的线性关系进行测量。但该传感器的输出仍为模拟量，当需要与数字系统E1连接时，需要增加A/D转换器D1进行模数转换。此外，该电路也不适合大电流测量，原因是大电流测量时需要磁芯C_T深度饱和，被测电流越大，磁芯所需的励磁电流也越大，在这种情况下励磁电流的波形呈尖峰状，导致滤波电路设计难度增大，成本增加，甚至可能会引入新的测量误差。

发明内容

本发明提供一种应用低成本数字电路(如单片机、ARM、DSP或FPGA)，通过测量由非线性互感器和比较器构成的RL多谐振荡器的激磁电压的占空比进行直流大电流测量的准数字式新型电流传感器，基本原理如图2所示。

该传感器主要由RL多谐振荡器电路A2、稳压管桥式限幅电路B2、波形整形电路C2和数字占空比检测电路D2四部分构成。其中，RL多谐振荡器由非线性互感器T、电压比较器CMP及其外围无源元件采样电阻R_S、比较器门限电压设置电阻R₁和R₂构成。非线性互感器由具有高磁导率的镯环形磁芯C_T和副边绕组W_S构成，其原边绕组W_P通常为单匝穿心导线，使用时与被测系统连接。R_C为副边绕组的内阻，当R_S取值较小时(大电流测量时通常如此)R_C对电路的影响不可忽略。电阻R₁和R₂用于设置电压比较器的门限电压v_th，而电阻R_S用于将互感器副边激磁电流i_ex转换为电压v_s用于和门限电压v_th相比较。互感器副边绕组匝数、采样电阻和门限电压设置电阻的取值需要根据最大被测电流、磁芯饱和电流以及副边绕组激磁电压V_ex的大小进行设计。正常工作时，该电路构成自激振荡器。假设非线性互感器T的副边绕组W_S的激磁电压V_ex正负对称，当原边被测电流I_P为零时，由于磁芯磁化曲线的对称性，磁芯达到正向和反向饱和所需的时间相等，因此激磁电压V_ex的占空比为50％；当原边被测电流I_P为正时(电流方向如图2所示)，磁芯C_T中将产生恒定磁通，该恒定磁通在激磁电压V_ex为正时(方向如图1所示)阻碍磁芯正向饱和，而在激磁电压V_ex为负时帮助磁芯负向饱和，由于磁芯磁化曲线的高度非线性，磁芯达到正向饱和所需的时间将大于达到负向饱和所需的时间，从而使得激磁电压V_ex的占空比大于50％；当原边被测电流I_P为负时，情况正好相反，激磁电压V_ex的占空比小于50％。因此，通过测量激磁电压V_ex的占空比可以判断原边电流的有无和方向。此外，激磁电压V_ex的占空比与原边被测电流存在线性关系，该线性关系可用一个简单的一次方程进行描述。