低频电流电桥和电流比较仪

摘要

本申请涉及一种低频电流电桥和电流比较仪。所述低频电流电桥包括：信号源、原边电流源、副边电流源、信号测差装置、绕组线圈和控制装置；信号源输出低频信号至所述原边电流源、副边电流源以及信号测差装置；绕组线圈包括：原边绕组、副边绕组和检测绕组；原边电流源用于驱动原边绕组，副边电流源用于驱动副边绕组，检测绕组用于检测未匹配的磁通量，并负反馈至副边电流源；信号测差装置用于测量原边激励电流和副边激励电流比例的差异信息；控制装置用于电桥的工作控制、切换原边绕组的匝数和副边绕组的匝数，以及设置信号源、原边电流源以及副边电流源输出的频率、幅值、相位，读取所述信号测差装置的测量结果。采用本方法能够提高检测精度。

说明书

技术领域

本申请涉及电磁计量和精密仪器领域，特别是电流和电阻计量领域，涉及一种低频电流电桥和电流比较仪。

背景技术

电流电桥和电流比较仪，广泛用于电流和电阻的精密测量。最高等级的此类设备工作原理均基于零磁通，共分三类：低温电流比较仪(Cryogenic Current Comparator，CCC)、直流电流比较仪(Direct Current Comparator，DCC)、低频电流比较仪(Low-Frequency Current Comparator，LFCC)。其中，CCC是测量精度最高的，但其运行需要液氦、超低温，测量探头须工作在超导状态，设备庞大，运行条件苛刻，一般仅用于国家基准等。DCC和LFCC均可在室温下运行，无特殊要求，设备规模也小得多。DCC的激励信号是直流电流，无法直接耦合，其工作基于磁调制，需要将铁芯反复激励到饱和状态，必须激励到饱和状态、产生明显非线性效应是由DCC工作原理决定的，此激励信号很强，由此导致的输出纹波无法完全消除，会一定程度上影响测量精度，尤其是被测电流很小的情况下，会受到严重限制。电阻的国际、国家基准，是建立在量子霍尔电阻(Quantum Hall Resistance，QHR)基础上，而量子霍尔电阻仅允许通过微量电流。DCC工作于此场合，输出纹波的影响就很重。加之基准要求尽可能高的测量精度，这也是明显的限制因素之一。LFCC工作在交流下，依靠变压器效应工作，无需调制，也没有调制纹波的影响。但交流信号会受到寄生电容、寄生电感、1/f噪声等参数的影响，同样会导致测量精度的下降。交流频率越低，寄生参数的影响越小，但1/f噪声的影响越大。综合的结果是，LFCC在某个低频区间获得最佳性能，在测量小信号时较DCC性能更优。LFCC工作于低频下，在绕组线圈感值一定的情况下，频率越低，感抗越小，不利于电桥灵敏度和精度，需要采用有效方式进行补偿，提升环路增益。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提升环路增益的低频电流电桥和电流比较仪。

一种低频电流电桥，所述低频电流电桥包括：

信号源、原边电流源、副边电流源、信号测差装置、绕组线圈和控制装置；

所述信号源输出低频信号至所述原边电流源、副边电流源以及信号测差装置；

所述绕组线圈包括：原边绕组、副边绕组和检测绕组；

所述原边电流源用于驱动所述原边绕组，所述副边电流源用于驱动所述副边绕组，所述检测绕组用于检测未匹配的磁通量，并负反馈至副边电流源；

所述信号测差装置用于测量原边激励电流和副边激励电流比例的差异信息；

所述控制装置用于电桥的工作控制、切换原边绕组的匝数和副边绕组的匝数，以及设置信号源、原边电流源以及副边电流源输出的频率、幅值、相位，读取所述信号测差装置的测量结果。

在其中一个实施例中，还包括：副边绕组包括：可调副边绕组和分流副边绕组；

所述可调副边绕组的第一端连接所述副边电流源，第二端连接第一电阻，所述第一电阻的另一端连接信号测差装置的第一检测端，所述分流副边绕组的第一端连接第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述副边电流源的第二端，所述分流副边绕组的第二端连接所述第一检测端。

在其中一个实施例中，还包括：信号放大器；所述检测绕组的第一端和第二端分别连接所述信号放大器的两个输入端，所述信号放大器的输出端连接所述副边电流源。

在其中一个实施例中，还包括：第三电阻和第四电阻；所述第三电阻的一端分别连接信号测差装置的第二检测端和所述原边绕组的第二端，所述原边绕组的第一端连接所述原边电流源，所述第三电阻的另一端接地；所述第四电阻的一段分别连接信号测差装置的第一检测端和所述副边绕组的第二端，所述第四电阻的另一端接地。

一种电流比较仪，包括：上述低频电流电桥，其中所述第三电阻和所述第四电阻中的一个为标准电阻，另一个为待测电阻。

在其中一个实施例中，所述副边绕组包括：可调副边绕组和分流副边绕组；所述可调副边绕组的第一端连接所述副边电流源，第二端连接第一电阻，所述第一电阻的另一端连接信号测差装置的第一检测端，所述分流副边绕组的第一端连接第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述副边电流源的第二端，所述分流副边绕组的第二端连接所述第一检测端。

在其中一个实施例中，还包括：信号放大器；所述检测绕组的第一端和第二端分别连接所述信号放大器的两个输入端，所述信号放大器的输出端连接所述副边电流源。

上述低频电流电桥和电流比较仪，所述低频电流电桥，在实现精度上有两方面的工作，其一是通过低频信号源激励下原边绕组和副边绕组的磁通量匹配，使得信号测差装置用可以测量原边激励电流和副边激励电流比例的差异信息，另一方面通过，检测绕组检测未匹配的磁通量，并负反馈至副边电流源，可以进一步提高检测的精度。可以实现极高的等效环路增益，使得由环路增益导致的环路误差降到最低，从而获得极高的系统灵敏度和测量精度。

附图说明

图1为一个实施例中低频电流电桥的电路图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种低频电流电桥，包括：

信号源2、原边电流源3、副边电流源4、信号测差装置5、绕组线圈1和控制装置6；

信号源2输出低频信号至所述原边电流源3、副边电流源4以及信号测差装置5；

绕组线圈1包括：原边绕组N

原边电流源3用于驱动原边绕组N

信号测差装置5用于测量原边激励电流和副边激励电流比例的差异信息；

控制装置6用于电桥的工作控制、切换原边绕组的匝数和副边绕组的匝数，以及设置信号源、原边电流源以及副边电流源输出的频率、幅值、相位，读取信号测差装置的测量结果。

上述低频电流电桥，在实现精度上有两方面的工作，其一是通过低频信号源激励下原边绕组和副边绕组的磁通量匹配，使得信号测差装置用可以测量原边激励电流和副边激励电流比例的差异信息，另一方面通过，检测绕组检测未匹配的磁通量，并负反馈至副边电流源，可以进一步提高检测的精度。可以实现极高的等效环路增益，使得由环路增益导致的环路误差降到最低，从而获得极高的系统灵敏度和测量精度。

在其中一个实施例中，副边绕组N

在其中一个实施例中，还包括：信号放大器8；检测绕组N

在其中一个实施例中，还包括：第三电阻R

具体的，通过信号源2产生激励电压信号控制原边激励电流源3和副边激励电流源4分别产生原边电流和副边电流。

依照安匝平衡原理，即原边激励电流源3产生的原边电流经过标准电阻形成的磁势、原边绕组和副边激励电流源产生的副边电流经过待测电阻和副边绕组形成的磁势相等。

具体计算如下：

副边的等效匝数包括整数匝绕组和分数匝绕组，其中分数匝是采用分流来实现的，流经绕组的电流为总副边电流的某个确定分数比例，即等效实现分数变比。副边的等效匝数可通过下述公式计算：

(1)

其中，为分流装置总的并联电阻，为绕组支路电阻。通过改变两个支路中任一支路的电阻值，即可改变分流值。例如电阻可调，可在控制器控制下改变阻值，即实现分数匝分数比例的调节。

对于低频电流信号，根据变压器的耦合原理，原边电流和原边匝数产生的磁势会尽可能近似于副边电流和副边匝数产生的磁势，此过程是磁势的近似平衡过程；

通过调节原边激励电流源3和副边激励电流源4的电流大小，使得标准电阻9和待测电阻10上的压降近似平衡，此过程的调节过程称为前馈调节过程，通过信号源2调节通道1和通道2的幅值大小和相位关系，实现标准电阻9和待测电阻10上的压降接近平衡，一般误差项可达10

为了进一步提高测试准确度和稳定性，需要使用负反馈的设计原理，将绕组线圈1中的磁通不平衡信号提取出来并反馈至闭环中。设N

此过程需要通过分流装置7实现原副边电流幅值微差调节即同相分量调节。虽然低频电桥工作于超低频交流，但由于绕组线圈的寄生电容、泄露电感等参数的影响，会使得原副边电流的相位产生一定的差异。此装置还需要通过调节电流的相位，即正交分量实现精确磁势平衡满足条件。电流相位的调节通过信号源2来实现。

低频电阻传递电桥的工作原理是依据磁势平衡(即安匝平衡原理)，原边电流源I

I

两个电阻R

ΔV＝I

通过控制装置6预设的N

；(5)

通过该发明专利的设计，通过将待测电阻10，通过精确的比例反映到标准电阻9上。在两端电势差相等的条件下(ΔV＝0)，电阻比等于绕组变比。通过精细的绕组变比和细微差异量的测量，合成后实现高准确度电流比例、电阻比例测量，即完成电流比较仪的设计。

在其中一个实施例中，提供一种电流比较仪，包括：上述低频电流电桥，其中第三电阻和所述第四电阻中的一个为标准电阻，另一个为待测电阻。

在其中一个实施例中，所述副边绕组包括：可调副边绕组和分流副边绕组；所述可调副边绕组的第一端连接所述副边电流源，第二端连接第一电阻，所述第一电阻的另一端连接信号测差装置的第一检测端，所述分流副边绕组的第一端连接第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述副边电流源的第二端，所述分流副边绕组的第二端连接所述第一检测端。

其中一个实施例中，还包括：信号放大器；所述检测绕组的第一端和第二端分别连接所述信号放大器的两个输入端，所述信号放大器的输出端连接所述副边电流源。

综上，本发明目的在于提供一种高精度、高分辨率的电流、电阻测量装置。低频电流比较仪(LFCC)由绕组线圈、信号源、原边激励电流源、副边激励电流源、信号测差装置、控制装置等组成。其中，绕组线圈实现电流和磁通检测，确定原副边变比，它由可调整匝数的原边绕组、可调整匝数的副边绕组、可调整分流比例的副边辅助绕组、检测绕组等构成，可实现原副边灵活的匝数变比，包括分数变比。通过变比、分数变比的调整，可实现极为精细的比例调节。信号源输出驱动电桥系统工作的低频交流信号，一般为正弦波，根据系统需要，低频信号可划分为多个通道，分别驱动原边激励电流源、副边激励电流源、信号测差装置等。各个低频信号通道频率相同，幅值、相位可独立调节，输出信号可相互隔离。激励电流源分为原边激励电流源和副边激励电流源，原边激励电流源用于驱动绕组线圈的原边绕组，副边激励电流源用于驱动绕组线圈的副边绕组和副边辅助绕组，原边和副边绕组(包括副边辅助绕组)产生的磁通相互抵消，未抵消的部分被检测绕组探测出来，作为反馈信号经负反馈放大器及电路放大后送入副边激励电流源，负反馈使得线圈工作在零磁通状态。原边激励电流源和副边激励电流源是联动的，在控制系统控制下，其输出比例非常接近线圈的变比，也就是说，负反馈电路不工作的情况下，线圈就可以达到接近零磁通的状态，负反馈系统的作用是将接近零磁通的状态进一步提升到几乎理想的零磁通状态。这样做，可以实现极高的等效环路增益，使得由环路增益导致的环路误差降到最低，从而获得极高的系统灵敏度和测量精度。信号测差装置，用于测量原边激励电流和副边激励电流比例的微小差异。虽然电桥的绕组比例可实现极精细调节，但在数域上毕竟不是连续的，这就使得原、副边激励电流比例和2个外接电阻(标准电阻、待测电阻)的比例可能存在微小差异，这个差异量通过信号测差装置测量出来，并通过控制器的计算，将此差异量与原、副边电流比例也就是绕组比例合成，得出2个外接电阻的真实比例，再通过已知的标准电阻的数值，得出待测电阻的数值。控制装置，用于电桥的工作控制、切换原边绕组的匝数、副边绕组的匝数、副边辅助绕组的分流比例(分数匝)、设置信号源和激励电流源输出的频率、幅值、相位，读取信号测差装置的测量结果、计算变比结果、显示结果等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。