專利名稱：基于pcb型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流測(cè)量裝置，具體地指一種基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，用于測(cè)量復(fù)雜電磁環(huán)境下短時(shí)非周期緩變大電流。
背景技術(shù)：
目前的直線感應(yīng)電機(jī)采用分段工作的短時(shí)周期供電方式，如作為磁懸浮列車、電磁發(fā)射等高功率密度系統(tǒng)推進(jìn)機(jī)的直線感應(yīng)電機(jī)，其工作電流具有幅值大(可達(dá)數(shù)十kA)、 頻率低(DC 80Hz)，持續(xù)時(shí)間短(一般為幾秒至十幾秒鐘)且電流為非周期信號(hào)的特點(diǎn)。 由于電流幅值過(guò)大，采用霍爾線圈等帶鐵芯的電流傳感器測(cè)量時(shí)存在飽和失真缺陷；雖然工作持續(xù)時(shí)間短但并非瞬態(tài)電流，而是短時(shí)緩變非周期信號(hào)，傳統(tǒng)脈沖電流傳感器也難以準(zhǔn)確測(cè)量。雖然羅氏線圈電流傳感器具有線性度好、無(wú)飽和、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬、插入損耗小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可用于直線電機(jī)分段短時(shí)工作非周期緩變大電流測(cè)量。但是使用傳統(tǒng)羅氏線圈測(cè)量直線感應(yīng)電機(jī)的工作電流具有以下缺點(diǎn)一是無(wú)法做到繞線均勻，普通PCB型羅氏線圈的抗干擾性能差，在多種強(qiáng)流電纜交錯(cuò)分布、電磁環(huán)境復(fù)雜的高功率密度系統(tǒng)中， 線圈耦合的干擾信號(hào)嚴(yán)重影響測(cè)量準(zhǔn)確度；二是羅氏線圈是基于法拉第電磁感應(yīng)原理獲取被測(cè)電流的變化率，然后經(jīng)積分電路還原電流，由于一般的柔性羅氏線圈電流傳感器無(wú)法感應(yīng)直流信號(hào)，且多采用含較多濾波電路的帶慣性環(huán)節(jié)濾波器，對(duì)直流或低頻信號(hào)沒(méi)有積分還原作用，因此無(wú)法用于緩變信號(hào)的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種用于測(cè)量復(fù)雜電磁環(huán)境下短時(shí)非周期緩變大電流。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，包括PCB型羅氏線圈，用于感應(yīng)與待測(cè)電流母線中電流成正比的電壓；采樣電阻，用于采集所感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換出的電流信號(hào)并傳送至信號(hào)接收設(shè)備；信號(hào)接收設(shè)備，連接于所述采樣電阻的兩端，用于檢測(cè)采樣電阻上的電壓信號(hào)。上述技術(shù)方案中，所用PCB型羅氏線圈為雙面對(duì)稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈。進(jìn)一步地，所述PCB型羅氏線圈和采樣電阻之間還依次設(shè)有無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路，用于積分還原PCB型羅氏線圈感應(yīng)出的電壓信號(hào)；和VI轉(zhuǎn)換電路，用于將積分電路輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，以減小信號(hào)傳輸過(guò)程中外界耦合電壓的干擾。進(jìn)一步地，所述VI轉(zhuǎn)換電路通過(guò)帶屏蔽層的雙絞線與所述采樣電阻連接。上述技術(shù)方案中，所述無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路包括積分電阻、運(yùn)算放大器和積分電
3容，所述運(yùn)算放大器積的電壓輸入端連接有調(diào)零電路，所述積分電容并聯(lián)有放電電阻和控制該放電電阻導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)。其中，所述PCB型羅氏線圈與積分電路的反相輸入端之間連接有低通濾波器。進(jìn)一步地，所述低通濾波器與積分電路的反相輸入端之間還連接有機(jī)械調(diào)零電路。更進(jìn)一步地，所述調(diào)零電路包括電位器，以及連接在所述電位器可調(diào)端和積分電路的反相輸入端的分壓電阻。上述技術(shù)方案中的積分電路和VI轉(zhuǎn)換電路集成于所述PCB板上。本發(fā)明工作過(guò)程如下待測(cè)電流母線穿過(guò)PCB型羅氏線圈，PCB型羅氏線圈感應(yīng)出與電流變化率成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路積分后得到與被測(cè)電流成正比的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)VI轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過(guò)帶屏蔽層的雙絞線被傳送至終端采樣電阻，信號(hào)接收設(shè)備(如示波器、頻譜分析儀等)檢測(cè)采樣電阻上的電壓信號(hào)，最后通過(guò)相應(yīng)的比例系數(shù)轉(zhuǎn)換得出待測(cè)電流波形或頻譜。本發(fā)明提供的短時(shí)非周期緩變大電流測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)直流或低頻大電流檢測(cè)， 其測(cè)量帶寬可達(dá)DC 200kHz，消除了常規(guī)電流傳感器在該類電流測(cè)量方面的不足。本發(fā)明采用對(duì)稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈作為傳感頭，可有效消除大電流系統(tǒng)中復(fù)雜電磁干擾，同時(shí)裝置采用全模擬信號(hào)傳輸，有效減小測(cè)量誤差。本測(cè)量裝置將傳感頭線圈與后處理電路集成于一塊PCB板，體積小，結(jié)構(gòu)輕，成本低，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工業(yè)實(shí)現(xiàn)方便。


圖1為本發(fā)明基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置的電路框圖。圖2為圖1為圖1所示基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置的無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路的電路原理圖。圖3為圖1所示基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置的電路原理圖。圖4為使用本發(fā)明基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置和LT 10000-S 型霍爾電流傳感器測(cè)試準(zhǔn)直流電流的波形對(duì)比圖。圖5為使用本發(fā)明基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置和LT 10000-S 型霍爾電流傳感器測(cè)試短時(shí)低頻交流電流的波形對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示，基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置包括PCB型羅氏線圈1、積分電路3、VI轉(zhuǎn)換電路4、采樣電阻6和信號(hào)接收設(shè)備7。PCB型羅氏線圈1的輸出端與積分電路3的輸入端連接，積分電路3的輸出端與VI轉(zhuǎn)換電路4的輸入端連接，VI轉(zhuǎn)換電路4的輸出端通過(guò)帶屏蔽層的雙絞線5與采樣電阻6連接，信號(hào)接收設(shè)備7連接在采樣電阻的兩端。如圖2所示，無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路3包括調(diào)零電路30，積分電阻31，運(yùn)算放大器 35，積分電容34，放電開(kāi)關(guān)33，放電電阻32，調(diào)零電路30可使運(yùn)算放大器34在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，積分輸出為0 ；積分電容34完成積分測(cè)量過(guò)程后，通過(guò)放電開(kāi)關(guān)33將積分電容34兩端
4電壓釋放至放電電阻32上消耗；特別地，當(dāng)有直流或準(zhǔn)直流電流時(shí)，積分電路3可檢測(cè)電流上升或下降沿，通過(guò)不含慣性環(huán)節(jié)的積分電容34對(duì)直流或低頻信號(hào)起保持作用，使直流或低頻信號(hào)仍然能被積分還原。圖3是本發(fā)明基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置的優(yōu)選實(shí)施方式的電路原理圖。如圖3所示，本優(yōu)選實(shí)施方式中，積分電路中運(yùn)算放大器19的電壓輸入和輸出端連接有放電電阻R8，以及控制該放電電阻R8導(dǎo)通的放電開(kāi)關(guān)K33，本實(shí)施例中的放電開(kāi)關(guān) K33采用omron公司的G5V-1小型繼電器開(kāi)關(guān)。本優(yōu)選實(shí)施方式中，待測(cè)電流母線2位于PCB型羅氏線圈1的中心通孔19中，PCB 型羅氏線圈1與積分電路3的反相輸入端之間連接低通濾波器8，低通濾波器8用于濾除電路中IOkHz以上的噪聲。本優(yōu)選實(shí)施方式中，調(diào)零電路9連接在低通濾波器8的輸出與積分電路3的輸入之間，本實(shí)施例的調(diào)零電路9包括電位器R4，電位器R4的可調(diào)端與運(yùn)算放大器35的反相輸入端連接，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)零電路17中的電位器R4，使得在無(wú)測(cè)量信號(hào)時(shí)200秒內(nèi)積分輸出電壓在2mV以內(nèi)，基本保證零漂輸入為0，不影響測(cè)量精度。運(yùn)算放大器35的輸出與VI轉(zhuǎn)換電路4中運(yùn)算放大器41的反相輸入端連接，運(yùn)算放大器41的輸出端通過(guò)帶屏蔽層的雙絞線5將測(cè)量轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)傳輸至外部安全測(cè)量區(qū)域的終端采樣電阻&6，并通過(guò)信號(hào)接收設(shè)備7來(lái)獲取采樣電阻兩端電壓信號(hào)。本實(shí)施例中，信號(hào)接收設(shè)備7采用Tektronix公司的D0P40M數(shù)字示波器來(lái)獲取采樣電壓，并通過(guò)測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)計(jì)算得到待測(cè)電流波形。本實(shí)施例中積分電路3中的運(yùn)算放大器35和VI轉(zhuǎn)換電路4中的運(yùn)算放大器41 均采用美國(guó)Analog公司生產(chǎn)的AD8639自穩(wěn)零集成運(yùn)放。本實(shí)施例所用PCB型羅氏線圈為中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)為CN102087903A所公開(kāi)的雙面對(duì)稱布線PCB型羅氏線圈，該P(yáng)CB型羅氏線圈采用對(duì)稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈作為傳感頭，可有效消除大電流系統(tǒng)中復(fù)雜電磁干擾。作為本發(fā)明的一種優(yōu)先實(shí)施例，積分電路3和VI轉(zhuǎn)換電路4可以集成在PCB型羅氏線圈的PCB板上，減小了整個(gè)裝置的體積和重量。下面將本發(fā)明基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置與LEM公司的LT 10000-S型霍爾電流傳感器的測(cè)量結(jié)果比較來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，某直線電機(jī)系統(tǒng)在準(zhǔn)直流充磁工作狀態(tài)下，使用本實(shí)施例檢測(cè)的電流波形與使用LT 1000-S型霍爾電流傳感器檢測(cè)的電流波形對(duì)比結(jié)果。如圖5所示，某直線電機(jī)系統(tǒng)在短時(shí)低頻交流工作狀態(tài)下，使用本實(shí)施例檢測(cè)的電流波形與LT 1000-S型霍爾電流傳感器檢測(cè)電流波形比較結(jié)果。由圖4和圖5所示的比較結(jié)果充分說(shuō)明了本發(fā)明裝置的有效性與準(zhǔn)確性。由于LT 10000-S型霍爾電流傳感器在一定電流幅值范圍內(nèi)有效，超過(guò)幅值范圍則出現(xiàn)飽和失真，尤其是在各種大電流電纜交錯(cuò)布置電磁環(huán)境復(fù)雜情況下，即便待測(cè)電流在LT 10000-S型霍爾傳感器量程以下，霍爾線圈耦合的干擾電壓也會(huì)使得測(cè)量結(jié)果超過(guò)量程而出現(xiàn)飽和失真。而本發(fā)明提供的測(cè)量裝置采用雙面對(duì)稱布線且設(shè)置回線的PCB羅氏線圈，無(wú)磁芯飽和現(xiàn)象，抗干擾能力強(qiáng)，具有更寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，同時(shí)體積小，成本低，在
5短時(shí)非周期緩變大電流測(cè)量方面更具優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于包括PCB型羅氏線圈，用于感應(yīng)與待測(cè)電流母線中電流變化率成正比的電壓；采樣電阻，用于采集所感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換出的電流信號(hào)并傳送至信號(hào)接收設(shè)備；信號(hào)接收設(shè)備，連接于所述采樣電阻的兩端，用于檢測(cè)采樣電阻上的電壓信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于所述PCB型羅氏線圈為雙面對(duì)稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于所述PCB型羅氏線圈和采樣電阻之間還設(shè)有無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路，用于積分還原PCB型羅氏線圈感應(yīng)出的電壓信號(hào)，以及VI轉(zhuǎn)換電路，連接在所述積分電路與采樣電阻之間，用于將積分電路輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳輸至采樣電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于 所述VI轉(zhuǎn)換電路通過(guò)帶屏蔽層的雙絞線與所述采樣電阻連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于所述無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路包括運(yùn)算放大器和積分電容，所述積分電容兩端并聯(lián)有放電電阻和控制該放電電阻導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于 所述PCB型羅氏線圈與積分電路的反相輸入端之間連接有低通濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于 所述低通濾波器與積分電路的反相輸入端之間還連接有機(jī)械調(diào)零電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，其特征在于 所述機(jī)械調(diào)零電路包括電位器，以及連接在所述電位器可調(diào)端和積分電路的反相輸入端的分壓電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求3 8任一項(xiàng)所述基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置， 其特征在于所述積分電路和VI轉(zhuǎn)換電路集成于所述PCB板上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置，包括PCB型羅氏線圈、采樣電阻、信號(hào)接收設(shè)備，PCB型羅氏線圈和采樣電阻之間還依次設(shè)有無(wú)慣性環(huán)節(jié)積分電路和VI轉(zhuǎn)換電路，所用PCB型羅氏線圈為雙面對(duì)稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)直流或低頻大電流的檢測(cè)，其測(cè)量帶寬可達(dá)DC～200kHz，消除了常規(guī)電流傳感器在該類電流測(cè)量方面的不足。本發(fā)明采用對(duì)稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈作為傳感頭，可有效消除大電流系統(tǒng)中復(fù)雜電磁干擾，同時(shí)裝置采用全模擬信號(hào)傳輸，有效減小測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)G01R15/18GK102445588SQ20111037662
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者吳文力, 唐健, 張向明, 張磊, 李文祿, 潘啟軍, 胡安琪, 騰騰, 趙治華, 陶濤, 馬偉明 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)