一种具有温度稳定性的电流传感器及其测量方法技术

本发明专利技术一种具有温度稳定性的电流传感器及其测量方法，其特征在于该电流传感器包括传感器检测探头、激磁电路模块和检测电路模块；所述传感器检测探头包括环形磁芯，在环形磁芯上缠绕激磁绕组和次级绕组；所述激磁电路模块包括电压跟随器、双限电压比较器、MOSFET驱动芯片和半桥励磁电路，半桥励磁电路包括上下两个MOSFET器件、两个电容器和直流电源，具体连接关系是：MOSFET驱动芯片的高低输入端与双限电压比较器的输出端连接，MOSFET驱动芯片的高低输出端与半桥励磁电路中的上下两个MOSFET器件的驱动端相连；双限电压比较器的输入端与电压跟随器的输出端连接；半桥励磁电路中两个电容器的中端与激磁绕组的一端连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电流传感器
，尤其涉及一种具有温度稳定性的电流传感器及其测量方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，高压电源系统成为研究的热点。高压电源系统中整流和逆变环节需要对直流信号和高频信号进行检测；在电压变换过程中需要对大电流和微小电流精确检测。在高压电源系统中大电流工作时功率开关产热多会使周围环境温度升高，甚至有些高压电源设备长期工作在温度较高的环境中，但是高温会影响电流检测的精确度进而影响传感器的性能，这会引起较大的测量误差，严重时将影响系统的安全保护。因此需要一种具有高精确度、宽范围、高分辨率、温漂小、结构简单等特点的传感器，从而保证其长期工作稳定且适应宽范围的电流检测。目前常用的电流传感器中磁通门电流传感器具有高分辨率、高灵敏度、高精确度等特点，因此具有更好的研发和应用优势。但现有的磁通门传感器有如下三个问题：其一，目前存在的磁通门电流传感器多用于低频小电流的测量，对高频检测有一定的局限性。其二，现有的传感器大部分应用在常温下，对长期工作的大电流测量或在温度较高的环境中测量时，由于温度偏移问题引起较大的测量误差，降低了传感器的精确度。其三，现有大部分传感器采用分离式激励电路，需要感应线圈和反馈回路来保证系统的稳定性，因此传感器的体积和功耗较大，不利于小型化结构。针对上述三个问题，亟待需要一种测量方法，对测量大电流和小电流都有很好的精确度，并且能减少温度漂移带来的误差，提高传感器的温度稳定性和精确度，并且在一定程度上能够测量高频电流，拓宽传感器的测量频带。论文“Wide-rangeac/dcEarthLeakageCurrentSensorusingFluxgatewithSelf-excitationSystem”(IEEESensors,2011,512-515.)采用自激电路对磁芯进行励磁，使得传感器的灵敏度比分离式激励电路高出近十倍，励磁电路简单，利于实现小型化和低功耗，能够检测电流幅值范围为10mA到10A。该传感器只能测量直流或低频交流，对于几十安培甚至上百安培的大电流及高频电流的检测不适用。专利号为ZL200910066926.X的中国专利公开了一种双向磁饱和时间差磁通门传感器，通过测量传感器输出的正负脉冲时间差值判定被测磁场的大小，检测电路简单，有效减小传感器整体体积和功耗，利于实现数字化测量，其不足之处在于该传感器利用时间差原理只是从峰值时间差上推出被测电流，当温度过高时，温度会影响磁芯的BH曲线矫顽力的偏移，从而带来测量误差，因此并没能减少温度漂移带来的误差，且不适用于高频电流的测量。论文“Self-oscillatingfluxgate-basedquasi-digitalsensorforDChigh-currentmeasurement”(IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2015,64(12):3555-3563.)中通过测量自激磁通门激励电压的占空比得到被测电流的方法，拓宽了传感器的测量范围。但温度漂移引起较大误差问题没有解决。论文“DesignofaLow-ConsumptionFluxgateTransducerforHigh-CurrentMeasurementApplications”(IEEESensorsJournal,2011,11(2):280-287.)设计了一种利用积分反馈控制的零磁通电流传感器，增加第三个磁芯利用互感器原理拓宽了传感器测量的频带。但这种传感器的磁芯数量和电路元件数量较多，不利于小型化发展，论文中也没有解决温度漂移引起较大误差的问题。论文“High-BandwidthHigh-Temperature(250℃/500F)IsolatedDCandACCurrentMeasurement:BidirectionallySaturatedCurrentTransformer”(IEEETransactiononPowerElectronics,2013,28(11):5404-5413.)提出一种新的双向饱和磁通门方法，能够减少温度偏移引起的误差，非常适合温度偏高的环境中电流的检测。但此方法要求被测磁场必须大于磁芯的饱和磁场强度，对被测磁场小于磁芯最小饱和磁场时的情况，检测电路并不适合，因此对于小电流测量有一定的局限性，此外，外电路中使用单限电压比较器，抗干扰能力差，在周围复杂情况下测量会存在较大的干扰误差，测量结果不准确。为了解决现有传感器的缺点，常采用的方法：(1)增加外环磁芯利用互感器原理测量高频电流，拓宽传感器的频带，但增加磁芯数量会增大传感器体积；(2)在温度较高环境中测量时，通常采用矫顽力较小的磁芯，这样可以减少温度引起矫顽力偏移带来的误差，但对高温中小电流的测量仍有较大的误差，因此需要一种方法能够在测量原理上解决温度漂移引起的误差问题；(3)在保证测量精确度的前提下拓宽传感器的测量范围，将大电流测量和小电流测量原理相配合，应尽量避免过于复杂的电路结合，优化检测电路的设计，利于数据处理和小型化结构。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是：提供一种具有温度稳定性的电流传感器及其测量方法。该电流传感器适用于高压电源系统电流的检测，在测量大电流和小电流方面均表现出良好的温度稳定性，尤其适用于高温环境中的测量，同时抗干扰能力强，结构简单，体积和功耗较小，有利于电流传感器的小型化发展。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：一种具有温度稳定性的电流传感器，其特征在于该电流传感器包括传感器检测探头、激磁电路模块和检测电路模块；所述传感器检测探头包括环形磁芯，在环形磁芯上缠绕激磁绕组和次级绕组；所述激磁电路模块包括电压跟随器、双限电压比较器、MOSFET驱动芯片和半桥励磁电路，半桥励磁电路包括上下两个MOSFET器件、两个电容器和直流电源，具体连接关系是：MOSFET驱动芯片的高低输入端与双限电压比较器的输出端连接，MOSFET驱动芯片的高低输出端与半桥励磁电路中的上下两个MOSFET器件的驱动端相连；双限电压比较器的输入端与电压跟随器的输出端连接；半桥励磁电路中两个电容器的中端与激磁绕组的一端连接；所述检测电路模块包括直流和低频电流采样电阻、高频电流采样电阻、高通滤波器、低通滤波器、预估采样电阻、工作模式选择单元和显示器，所述预估采样电阻直接与被测电流并联，估测被测电流的大概值，预估采样电阻与工作模式选择单元连接；直流和低频电流采样电阻的一端与激磁绕组的另一端、电压跟随器的输入端、低通滤波器的输入端连接，直流和低频电流采样电阻的另一端与半桥励磁电路中上下两个MOSFET器件的中端、参考接地端连接；低通滤波器的输出端与工作模式选择单元中的DSP输入端相连；高频电流采样电阻一端与高通滤波器的输入端和次级绕组的一端相连，高频电流采样电阻的另一端和次级绕组的另一端都与参考接地端连接；高通滤波器的输出端与工作模式选择单元中的DSP输入端相连；工作模式选择单元中的DSP输出端与显示器的输入相连。一种上述的具有温度稳定性的电流传感器的测量方法，其特征在于该测量方法的具体测量过程是：被测电流穿过环形磁芯的中心，当被测电流为直流或低频电流时，激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有温度稳定性的电流传感器，其特征在于该电流传感器包括传感器检测探头、激磁电路模块和检测电路模块；所述传感器检测探头包括环形磁芯，在环形磁芯上缠绕激磁绕组和次级绕组；所述激磁电路模块包括电压跟随器、双限电压比较器、MOSFET驱动芯片和半桥励磁电路，半桥励磁电路包括上下两个MOSFET器件、两个电容器和直流电源，具体连接关系是：MOSFET驱动芯片的高低输入端与双限电压比较器的输出端连接，MOSFET驱动芯片的高低输出端与半桥励磁电路中的上下两个MOSFET器件的驱动端相连；双限电压比较器的输入端与电压跟随器的输出端连接；半桥励磁电路中两个电容器的中端与激磁绕组的一端连接；所述检测电路模块包括直流和低频电流采样电阻、高频电流采样电阻、高通滤波器、低通滤波器、预估采样电阻、工作模式选择单元和显示器，所述预估采样电阻直接与被测电流并联，估测被测电流的大概值，预估采样电阻与工作模式选择单元连接；直流和低频电流采样电阻的一端与激磁绕组的另一端、电压跟随器的输入端、低通滤波器的输入端连接，直流和低频电流采样电阻的另一端与半桥励磁电路中上下两个MOSFET器件的中端、参考接地端连接；低通滤波器的输出端与工作模式选择单元中的DSP输入端相连；高频电流采样电阻一端与高通滤波器的输入端和次级绕组的一端相连，高频电流采样电阻的另一端和次级绕组的另一端都与参考接地端连接；高通滤波器的输出端与工作模式选择单元中的DSP输入端相连；工作模式选择单元中的DSP输出端与显示器的输入相连。...

【技术特征摘要】
1.一种具有温度稳定性的电流传感器，其特征在于该电流传感器包括传感器检测探头、激磁电路模块和检测电路模块；所述传感器检测探头包括环形磁芯，在环形磁芯上缠绕激磁绕组和次级绕组；所述激磁电路模块包括电压跟随器、双限电压比较器、MOSFET驱动芯片和半桥励磁电路，半桥励磁电路包括上下两个MOSFET器件、两个电容器和直流电源，具体连接关系是：MOSFET驱动芯片的高低输入端与双限电压比较器的输出端连接，MOSFET驱动芯片的高低输出端与半桥励磁电路中的上下两个MOSFET器件的驱动端相连；双限电压比较器的输入端与电压跟随器的输出端连接；半桥励磁电路中两个电容器的中端与激磁绕组的一端连接；所述检测电路模块包括直流和低频电流采样电阻、高频电流采样电阻、高通滤波器、低通滤波器、预估采样电阻、工作模式选择单元和显示器，所述预估采样电阻直接与被测电流并联，估测被测电流的大概值，预估采样电阻与工作模式选择单元连接；直流和低频电流采样电阻的一端与激磁绕组的另一端、电压跟随器的输入端、低通滤波器的输入端连接，直流和低频电流采样电阻的另一端与半桥励磁电路中上下两个MOSFET器件的中端、参考接地端连接；低通滤波器的输出端与工作模式选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓光，李丛丛，朱波，高丽敬，金双双，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12