[发明专利]用于电力设备磁场检测的传感器放大电路的研究

说明书

本发明使用Multisim电路仿真软件设计了一款基于磁通负反馈的放大电路，分析了放大电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，并对放大电路的可靠性进行了验证。研究成果可用于放大磁场传感器感应线圈两端的感应电压，拓宽了传感器的测量频率，提高了磁场传感器的灵敏度，对维护电力电缆的稳定运行，保持电缆的在线检测，维持我国电网运行的安全稳定有着重大的意义。

技术领域

本发明涉及一种基于法拉第电磁感应定律的磁场传感器放大电路的设计，其中提出了基于磁通负反馈的放大电路。

背景技术

电力电缆因其传输性能稳定、绝缘性能好、耐高温、铺设方便、操作维护简单等特点，在电网中得到了广泛的应用。在城市电网建设中逐渐取代了架空线路和油纸绝缘电缆。为了在线检测电缆的运行状态，提出了基于电磁感应定律的磁场传感器。电力电缆在周围产生的磁场较弱，交变的磁场通过磁芯后在感应线圈上产生的感应电压较弱，因此输出电压也较弱。为了使感应电压能被数据采集，或使传感器与其它电子设备具有良好的兼容性，需要设计放大电路对感应信号进行放大处理。

目前，国内外学者对放大电路的研究有很多，并且取得了大量阶段性成果。幅频特性曲线的补偿电路有许多种。比例放大电路的电路形式简单，应用的传感器频带是低于传感器谐振频率的一侧，但是在频率到几百赫兹的时候，会有较大的放大器输出电压动态范围。积分放大电路也具有电路形式简单的优点，但也存在应用频带低于谐振频率的问题。除了运用补偿电路外，在线圈两端并联匹配电阻也可以改善谐振点处的幅频特性，从而提高频率的检测范围，但这也会增加线圈的电阻热噪声，降低高低频的输出增益，对幅频特性的改善有所限制。因此，设计一款能拓宽测量频率范围且幅频特性曲线和相频特性曲线平滑的放大电路对电缆磁场检测十分重要。

发明内容

本发明的目的即在于，通过Multisim建立了一个放大电路的模型，通过公式推导对磁反馈放大电路的工作原理进行了简要描述，从减小电路噪声等角度对放大电路的结构进行设计。对放大电路的幅频特性和相频特性进行了检测，并通过实例对放大电路进行了验证。研究成果可用于放大磁场传感器感应线圈两端的感应电压，提高磁场传感器测量的准确性，为人们分析感应电压提供了方便，对电力电缆的在线检测，维护人们的安全用电具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，用于电力设备磁场检测的传感器放大电路的研究，其特征在于具体步骤为：

1、磁通负反馈放大电路的原理分析：

磁反馈改善幅频特性曲线的基本原理如下：感应线圈在交变磁场中产生感应电压后先通过放大器放大，放大后的感应电压经过反馈电阻转换成电流信号，电流信号在反馈线圈中产生与被测磁场方向相反的磁场，从而形成磁通负反馈。当磁场处于谐振频率附近，输出较大的电压幅值时，磁通负反馈对穿过感应线圈的磁场进行削弱，减小感应电压，从而达到平缓幅频特性曲线的目的。磁通负反馈电路原理如图1所示。

在添加反馈线圈后，通过感应线圈的磁感应强度应为B＝B_j-B_f(B_j为被测磁场磁感应强度，B_f为反馈线圈产生的磁感应强度)，放大器两端的输入电压应为：

其中：N是感应线圈的匝数，S是感应线圈的横截面积，R_L是感应线圈直流电阻，C是感应线圈分布电容，Lp是感应线圈电感。

输入电压U_i经过放大器放大G倍后，得到的输出电压为：

U_o＝-GU_i (2)