基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置

摘要

本发明公开了一种基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置，包括：PCB型罗氏线圈、采样电阻、信号接收设备，PCB型罗氏线圈和采样电阻之间还依次设有：无惯性环节积分电路和VI转换电路，所用PCB型罗氏线圈为双面对称布线且设置回线的PCB型罗氏线圈。本发明可实现直流或低频大电流的检测，其测量带宽可达DC～200kHz，消除了常规电流传感器在该类电流测量方面的不足。本发明采用对称布线且设置回线的PCB型罗氏线圈作为传感头，可有效消除大电流系统中复杂电磁干扰，同时装置采用全模拟信号传输，有效减小测量误差。

说明书

技术领域

本发明涉及电流测量装置，具体地指一种基于PCB型罗氏线圈 的短时缓变大电流测量装置，用于测量复杂电磁环境下短时非周期缓 变大电流。

背景技术

目前的直线感应电机采用分段工作的短时周期供电方式，如：作 为磁悬浮列车、电磁发射等高功率密度系统推进机的直线感应电机， 其工作电流具有幅值大(可达数十kA)、频率低(DC～80Hz)，持续 时间短(一般为几秒至十几秒钟)且电流为非周期信号的特点。由于 电流幅值过大，采用霍尔线圈等带铁芯的电流传感器测量时存在饱和 失真缺陷；虽然工作持续时间短但并非瞬态电流，而是短时缓变非周 期信号，传统脉冲电流传感器也难以准确测量。

虽然罗氏线圈电流传感器具有线性度好、无饱和、测量动态范围 宽、插入损耗小及结构简单等优点，可用于直线电机分段短时工作非 周期缓变大电流测量。但是使用传统罗氏线圈测量直线感应电机的工 作电流具有以下缺点：一是无法做到绕线均匀，普通PCB型罗氏线 圈的抗干扰性能差，在多种强流电缆交错分布、电磁环境复杂的高功 率密度系统中，线圈耦合的干扰信号严重影响测量准确度；二是罗氏 线圈是基于法拉第电磁感应原理获取被测电流的变化率，然后经积分 电路还原电流，由于一般的柔性罗氏线圈电流传感器无法感应直流信 号，且多采用含较多滤波电路的带惯性环节滤波器，对直流或低频信 号没有积分还原作用，因此无法用于缓变信号的测量。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种用于测量 复杂电磁环境下短时非周期缓变大电流。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于PCB型罗氏线圈 的短时缓变大电流测量装置，包括：

PCB型罗氏线圈，用于感应与待测电流母线中电流成正比的电 压；

采样电阻，用于采集所感应电压转换出的电流信号并传送至信号 接收设备；

信号接收设备，连接于所述采样电阻的两端，用于检测采样电阻 上的电压信号。

上述技术方案中，所用PCB型罗氏线圈为双面对称布线且设置 回线的PCB型罗氏线圈。

进一步地，所述PCB型罗氏线圈和采样电阻之间还依次设有：

无惯性环节积分电路，用于积分还原PCB型罗氏线圈感应出的 电压信号；

和VI转换电路，用于将积分电路输出的电压信号转换成电流信 号，以减小信号传输过程中外界耦合电压的干扰。

进一步地，所述VI转换电路通过带屏蔽层的双绞线与所述采样 电阻连接。

上述技术方案中，所述无惯性环节积分电路包括：积分电阻、运 算放大器和积分电容，所述运算放大器积的电压输入端连接有调零电 路，所述积分电容并联有放电电阻和控制该放电电阻导通的开关。

其中，所述PCB型罗氏线圈与积分电路的反相输入端之间连接 有低通滤波器。

进一步地，所述低通滤波器与积分电路的反相输入端之间还连接 有机械调零电路。

更进一步地，所述调零电路包括电位器，以及连接在所述电位器 可调端和积分电路的反相输入端的分压电阻。

上述技术方案中的积分电路和VI转换电路集成于所述PCB板 上。

本发明工作过程如下：待测电流母线穿过PCB型罗氏线圈，PCB 型罗氏线圈感应出与电流变化率成正比的电压信号，经无惯性环节积 分电路积分后得到与被测电流成正比的电压信号，电压信号经VI转 换电路转换成电流信号，该电流信号通过带屏蔽层的双绞线被传送至 终端采样电阻，信号接收设备(如示波器、频谱分析仪等)检测采样 电阻上的电压信号，最后通过相应的比例系数转换得出待测电流波形 或频谱。

本发明提供的短时非周期缓变大电流测量装置，可实现直流或低 频大电流检测，其测量带宽可达DC～200kHz，消除了常规电流传感 器在该类电流测量方面的不足。本发明采用对称布线且设置回线的 PCB型罗氏线圈作为传感头，可有效消除大电流系统中复杂电磁干 扰，同时装置采用全模拟信号传输，有效减小测量误差。本测量装置 将传感头线圈与后处理电路集成于一块PCB板，体积小，结构轻， 成本低，同时结构简单，工业实现方便。

附图说明

图1为本发明基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置 的电路框图。

图2为图1为图1所示基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流 测量装置的无惯性环节积分电路的电路原理图。

图3为图1所示基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装 置的电路原理图。

图4为使用本发明基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量 装置和LT 10000-S型霍尔电流传感器测试准直流电流的波形对比图。

图5为使用本发明基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量 装置和LT 10000-S型霍尔电流传感器测试短时低频交流电流的波形 对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置 包括：PCB型罗氏线圈1、积分电路3、VI转换电路4、采样电阻6 和信号接收设备7。PCB型罗氏线圈1的输出端与积分电路3的输入 端连接，积分电路3的输出端与VI转换电路4的输入端连接，VI转 换电路4的输出端通过带屏蔽层的双绞线5与采样电阻6连接，信号 接收设备7连接在采样电阻的两端。

如图2所示，无惯性环节积分电路3包括：调零电路30，积分 电阻31，运算放大器35，积分电容34，放电开关33，放电电阻32， 调零电路30可使运算放大器34在无输入信号时，积分输出为0；积 分电容34完成积分测量过程后，通过放电开关33将积分电容34两 端电压释放至放电电阻32上消耗；特别地，当有直流或准直流电流 时，积分电路3可检测电流上升或下降沿，通过不含惯性环节的积分 电容34对直流或低频信号起保持作用，使直流或低频信号仍然能被 积分还原。

图3是本发明基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置 的优选实施方式的电路原理图。

如图3所示，本优选实施方式中，积分电路中运算放大器19的 电压输入和输出端连接有放电电阻R8，以及控制该放电电阻R8导通 的放电开关K33，本实施例中的放电开关K33采用omron公司的G5V -1小型继电器开关。

本优选实施方式中，待测电流母线2位于PCB型罗氏线圈1的 中心通孔19中，PCB型罗氏线圈1与积分电路3的反相输入端之间 连接低通滤波器8，低通滤波器8用于滤除电路中10kHz以上的噪声。

本优选实施方式中，调零电路9连接在低通滤波器8的输出与积 分电路3的输入之间，本实施例的调零电路9包括电位器R4，电位 器R4的可调端与运算放大器35的反相输入端连接，通过调节调零 电路17中的电位器R4，使得在无测量信号时200秒内积分输出电压 在2mV以内，基本保证零漂输入为0，不影响测量精度。

运算放大器35的输出与VI转换电路4中运算放大器41的反相 输入端连接，运算放大器41的输出端通过带屏蔽层的双绞线5将测 量转换的电流信号传输至外部安全测量区域的终端采样电阻R_S6，并 通过信号接收设备7来获取采样电阻R_S6两端电压信号。本实施例中， 信号接收设备7采用Tektronix公司的DOP4054数字示波器来获取采 样电压，并通过测量装置的转换系数来计算得到待测电流波形。

本实施例中积分电路3中的运算放大器35和VI转换电路4中的 运算放大器41均采用美国Analog公司生产的AD8639自稳零集成运 放。

本实施例所用PCB型罗氏线圈为中国专利申请公开号为 CN102087903A所公开的双面对称布线PCB型罗氏线圈，该PCB型 罗氏线圈采用对称布线且设置回线的PCB型罗氏线圈作为传感头， 可有效消除大电流系统中复杂电磁干扰。

作为本发明的一种优先实施例，积分电路3和VI转换电路4可 以集成在PCB型罗氏线圈的PCB板上，减小了整个装置的体积和重 量。

下面将本发明基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置 与LEM公司的LT 10000-S型霍尔电流传感器的测量结果比较来说明 本发明的优点。

如图4所示，某直线电机系统在准直流充磁工作状态下，使用本 实施例检测的电流波形与使用LT 1000-S型霍尔电流传感器检测的电 流波形对比结果。如图5所示，某直线电机系统在短时低频交流工作 状态下，使用本实施例检测的电流波形与LT 1000-S型霍尔电流传感 器检测电流波形比较结果。由图4和图5所示的比较结果充分说明了 本发明装置的有效性与准确性。

由于LT 10000-S型霍尔电流传感器在一定电流幅值范围内有效， 超过幅值范围则出现饱和失真，尤其是在各种大电流电缆交错布置电 磁环境复杂情况下，即便待测电流在LT 10000-S型霍尔传感器量程 以下，霍尔线圈耦合的干扰电压也会使得测量结果超过量程而出现饱 和失真。而本发明提供的测量装置采用双面对称布线且设置回线的 PCB罗氏线圈，无磁芯饱和现象，抗干扰能力强，具有更宽的动态测 量范围，同时体积小，成本低，在短时非周期缓变大电流测量方面更 具优势。