一種單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于直流大電流測量領域，尤其涉及一種單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器。
【背景技術】
[0002]直流大電流測量廣泛應用于電氣或電子設備中用于能量管理、反饋控制或監(jiān)控保護。目前能夠實現(xiàn)直流大電流測量的方法有多種，已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化的主要包括分流器法、霍爾效應法、各向異性磁阻效應法、巨磁阻效應法、磁通門效應法和法拉第磁光效應法。利用這些方法制成的電流傳感器各具特色，廣泛應用于各領域中。但是這些傳統(tǒng)傳感器的輸出均為模擬量，即電流量或電壓量，當傳感器需要與數(shù)字系統(tǒng)連接時，必須對傳感器輸出的模擬量進行A/D轉換。A/D轉換器的加入在增加成本的同時會造成電路結構復雜，可靠性降低，最重要的是可能會引入額外的測量誤差。
[0003]解決該問題的一個辦法是研制準數(shù)字式直流電流傳感器。目前，國內外已有通過測量壓電陶瓷懸臂梁的諧振頻率進行直流電流測量的文獻報道，但由于測量原理所限，這些方法只能測量毫安量級的小電流，測量精度差且僅停留在實驗室階段。因此，有必要研宄新的可用于直流大電流測量的準數(shù)字式直流電流測量方法。
[0004]一種可能的解決方案是采用由非線性互感器和電壓比較器構成的RL多諧振蕩器。圖1所示為已有的應用RL多諧振蕩器原理的直流電流傳感器原理框圖，主要構成包括由非線性互感器T和電壓比較器CMP組成的RL多諧振蕩器Al、穩(wěn)壓管限幅電路B1、有源或無源低通濾波器Cl。這種傳感器的基本原理是根據(jù)非線性互感器副邊繞組Ws的激磁電流
與原邊被測電流IP之間的線性關系進行測量。但該傳感器的輸出仍為模擬量，當需要與數(shù)字系統(tǒng)El連接時，需要增加A/D轉換器Dl進行模數(shù)轉換。此外，該電路也不適合大電流測量，原因是大電流測量時需要磁芯Cr^度飽和，被測電流越大，磁芯所需的勵磁電流也越大，在這種情況下勵磁電流的波形呈尖峰狀，導致濾波電路設計難度增大，成本增加，甚至可能會引入新的測量誤差。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供一種應用低成本數(shù)字電路(如單片機、ARM、DSP或FPGA)，通過測量由非線性互感器和比較器構成的RL多諧振蕩器的激磁電壓的占空比進行直流大電流測量的準數(shù)字式新型電流傳感器，基本原理如圖2所示。
[0006]該傳感器主要由RL多諧振蕩器電路A2、穩(wěn)壓管橋式限幅電路B2、波形整形電路C2和數(shù)字占空比檢測電路D2四部分構成。其中，RL多諧振蕩器由非線性互感器T、電壓比較器CMP及其外圍無源元件采樣電阻Rs、比較器門限電壓設置電阻RjP R2構成。非線性互感器由具有高磁導率的鐲環(huán)形磁芯Ct和副邊繞組Ws構成，其原邊繞組W P通常為單匝穿心導線，使用時與被測系統(tǒng)連接。Rc為副邊繞組的內阻，當Rs取值較小時(大電流測量時通常如此)R。對電路的影響不可忽略。電阻R郴R2用于設置電壓比較器的門限電壓V th，而電阻Rs用于將互感器副邊激磁電流i Μ轉換為電壓V 3用于和門限電壓V thffl比較。互感器副邊繞組匝數(shù)、采樣電阻和門限電壓設置電阻的取值需要根據(jù)最大被測電流、磁芯飽和電流以及副邊繞組激磁電壓Vrai的大小進行設計。正常工作時，該電路構成自激振蕩器。假設非線性互感器T的副邊繞組Ws的激磁電壓Vrai正負對稱，當原邊被測電流I P為零時，由于磁芯磁化曲線的對稱性，磁芯達到正向和反向飽和所需的時間相等，因此激磁電壓Vex的占空比為50% ;當原邊被測電流Ip為正時(電流方向如圖2所示)，磁芯C沖將產(chǎn)生恒定磁通，該恒定磁通在激磁電壓Vex為正時(方向如圖1所示)阻礙磁芯正向飽和，而在激磁電壓Vex為負時幫助磁芯負向飽和，由于磁芯磁化曲線的高度非線性，磁芯達到正向飽和所需的時間將大于達到負向飽和所需的時間，從而使得激磁電壓Vrai的占空比大于50%;當原邊被測電流Ip為負時，情況正好相反，激磁電壓Vex的占空比小于50%。因此，通過測量激磁電壓Nex的占空比可以判斷原邊電流的有無和方向。此外，激磁電壓V Μ的占空比與原邊被測電流存在線性關系，該線性關系可用一個簡單的一次方程進行描述。
[0007]但是，該RL多諧振蕩器Α2對激磁電壓Vex的對稱性要求嚴格。激磁電壓V ex的對稱性越差，傳感器的零點偏差也越大。解決該問題的方法是應用如圖2所示的穩(wěn)壓管橋式限幅電路B2。這樣，RL多諧振蕩器A2激磁電壓Vex的對稱性由限幅電路的輸出電壓的對稱性決定。同時，正負對稱的激磁電壓信號在限幅電路的某一節(jié)點變成正負不對稱的脈沖信號Vb，該脈沖信號經(jīng)過一個由高速MOSFET開關管和齊納穩(wěn)壓管構成的簡單波形整形電路C2后即可變?yōu)榭捎蓴?shù)字占空比檢測器D2直接進行測量的正脈沖信號，其中數(shù)字占空比檢測器可由單片機、ARM、DSP或FPGA處理器中的一種構成。
[0008]實際中，除了可應用占空比-被測電流的理論方程外還可以應用占空比-被測電流的實驗擬合方程。具體做法是將已知電流和其對應的占空比應用最小二乘法進行擬合，然后將擬合方程寫入占空比檢測器D2進行占空比和電流的換算。實驗證明，由占空比-被測電流理論方程和一階擬合方程構成的傳感器的線性度滿量程內優(yōu)于3%。提高線性度的方法是應用本發(fā)明提供的最小二乘多項式擬合法。
【附圖說明】
[0009]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例，以下將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見，以下描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的部分實施例，對于本領域普通技術人員而言，還可以根據(jù)這些附圖所示實施例得到其它實施例及其附圖。
[0010]圖1是現(xiàn)有的單磁芯RL多諧振蕩器直流電流傳感器原理框圖；
[0011]圖2是本發(fā)明的單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器原理框圖；
[0012]圖3是本發(fā)明的單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器具體實施例的電路圖；
[0013]圖4是本發(fā)明的單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器的線性度與多項式擬合階數(shù)的關系圖；
[0014]圖5是本發(fā)明的單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器的占空比-被測電流線性關系的實驗結果；
[0015]圖6是本發(fā)明的單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器應用理論方程、一階擬合方程和五階擬合方程的線性度對比實驗結果。
【具體實施方式】
[0016]以下將結合附圖對本發(fā)明的實施例的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明所保護的范圍。
[0017]圖2是本發(fā)明的單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器的原理框圖，與圖1所示現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明除了電路結構上不需要現(xiàn)有技術中的低通濾波器和A/D轉換器外，檢測原理與現(xiàn)有方法相比完全不同?；驹硎?，由單個高磁導率磁芯(Ct)構成非線性互感器(T)，互感器的副邊繞組(Ws)與電壓比較器(CMP)構成多諧振蕩器；當非線性互感器原邊電流(Ip)為零時，其副邊繞組激磁電壓(Vrai)的占空比為50% ;當原邊電流不為零時，副邊繞組激磁電壓的占空比發(fā)生變化(大于或小于50% )，此時占空比的大小取決于原邊電流的大小和方向且與原邊電流呈近似線性關系；該激磁電壓(正負脈沖信號)經(jīng)過穩(wěn)壓管橋式限幅電路、波形整形電路后變?yōu)榭晒?shù)字占空比檢測電路(如單片機、ARM、DSP或FPGA)直接檢測的正脈沖信號(Vc)，通過檢測該脈沖信號的占空比即可判斷原邊電流的大小和方向。即圖1所示現(xiàn)有方法是通過檢測副邊繞組的激磁電流U的平均值來判斷原邊電流I P的大小和方向，而本發(fā)明是通過檢測副邊繞組的激磁電壓Vrai的占空比來判斷原邊電流的大小和方向。
[0018]本發(fā)明提供了一種單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器，由RL多諧振蕩器A2，穩(wěn)壓管橋式限幅電路B2，波形整形電路C2和數(shù)字占空比檢測電路D2構成。
[0019]圖3是本發(fā)明的單磁芯準數(shù)字式直流大電流傳感器的一個具體實施例的電路圖；其中RL多諧振蕩器A3由非線性互感器T、電壓比較器CMP、電流緩沖器Buffer