一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器，包含一个主铁芯和一个副铁芯共两个相同的环形铁芯，这两个环形铁芯同轴叠置，二次线圈的其中一部分线圈一起穿过主铁芯和副铁芯，另一部分单独绕制在主铁芯上，在副铁芯上还单独绕有检测线圈，二次线圈的两端之间接有同向放大器/反向放大器，检测线圈的两端上连接有负载阻抗，检测时一次线圈同时穿过环形铁芯的内环并在一次线圈的两端输入检测激励电压，且这些线圈的匝数根据下述公式

A Non-contact Weak Current Detection Sensor Based on Passive Zero Flux

The invention discloses a non-contact weak current detection sensor based on passive zero flux, which comprises a main core and a secondary core with two identical annular cores. The two annular cores are coaxially overlapped. One part of the secondary coil passes through the main core and the secondary core together, the other part is individually wound on the main core, and the detection is also individually wound on the secondary core. A coil is connected with a co-amplifier/reverse amplifier at both ends of the secondary coil. Load impedance is connected at both ends of the detection coil. The primary coil passes through the inner ring of the annular core at the same time and the excitation voltage is input at both ends of the primary coil. The turns of these coils are determined according to the following formula.

【技术实现步骤摘要】
一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器
本专利技术涉及检测仪器领域，更具体地说，涉及一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器。
技术介绍
交流阻抗仪测量方法一般采用一种小振幅的正弦波电位为扰动信号的电测量方法。由于以小振幅的电信号对体系进行扰动,一方面可避免对体系产生大的影响,另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线形关系,这就使得测量结果的数学处理变得简单。同时它又是一种频率域的测量方法,通过在很宽的频率范围内测量阻抗来研究电极系统,因而得到比其他常规的电化学方法更多的动力学信息及电极界面结构的信息。如果对系统施加一个正弦波电信号作为扰动信号，则相应地系统产生一个与扰动信号相同频率的响应信号。由不同的频率的响应信号与扰动信号之间的比值，可以得到不同频率下阻抗的模值与相位角。阻抗检测方法原理如下：假设施加给电化学系统扰动的交流正弦电压为Y，角频率ω，记为Y(ω)，相应的交流正弦电流信号X，记为X(ω)，则电化学系统阻抗Z表示为：阻抗Z反应的是电化学系统的电阻和电抗特性，其大小和系统的内部结构相关，还可以用于表示电化学体系的频域特性。阻抗Z的复数表示形式为：Z(ω)＝Z′(ω)+jZ″(ω)大多数交流阻抗测试仪正弦激励电压一般在40V一下，但有些特殊阻抗如水泥电阻，在初始水化过程中存在水离子状态电阻比较小约为100-300欧姆，但随着水泥固化变硬，阻抗阻值会变大到几千欧20K左右。以应用于水泥水化电阻检测的非接触式阻抗测量仪为例，一般环电压在1V左右，水泥电阻变化范围从200欧姆到20k，因此对应得检测电流数值在50uA-5mA之间。弱小电流精确检测非常困难，特别是50uA级别的电流。现有普通电流传感器大都量程大都达不到uA级别，零磁通电流传感器由于供电电源纹波存在，要实现uA级别电流检测也非常困难，容易引入电源侧干扰。另外随着被测电流频率提高，在测量高频信号时零磁通电流传感器的动态跟踪算法处理速度更不上电流变换，测量高频信号误差较大，如1Mhz。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中非接触式阻抗测量仪中弱小电流检测精度差以及高频信号测量误差大的技术缺陷，提供一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器，包含一个主铁芯和一个副铁芯共两个相同的环形铁芯，这两个环形铁芯同轴叠置，二次线圈的其中一部分线圈一起穿过主铁芯和副铁芯，另一部分单独绕制在主铁芯上，在副铁芯上还单独绕有检测线圈，二次线圈的两端之间接有同向放大器/反向放大器，检测线圈的两端上连接有负载阻抗，检测时一次线圈同时穿过环形铁芯的内环并在一次线圈的两端输入检测激励电压，且这些线圈的匝数根据下述公式进行设定：其中，Nb为所述另一部分的线圈的匝数，Nb2为检测线圈的匝数，N2为二次线圈的匝数。进一步地，在本专利技术的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器中，进一步地，在本专利技术的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器中，进一步地，在本专利技术的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器中，主铁芯和副铁芯采用TDKN30微晶铁氧体制成。进一步地，在本专利技术的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器中，一次线圈的匝数为1匝或者2匝。进一步地，在本专利技术的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器中，一次线圈的输入电流N的大小根据下述公式所确定：式中，N1为一次线圈的匝数，为二次线圈中的电流，根据同向放大器/反向放大器的放大倍数与电压输出所确定。进一步地，在本专利技术的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器中，式中，Zp表示所述负载阻抗的大小，Z2表示所述二次线圈阻抗的大小。实施本专利技术的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器，具有以下有益效果：采用无源零磁通电流测量技术，将小电流的测量精度从普通线圈式电流传感器200uA分别率提高到50uA级别，且测量频率在高达1MHz时依旧就有很好的测量精度。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是电流互感器等效电路示意图；图2是电流互感器的向量图；图3是铁芯及线圈的示意图；图4是无源零磁通电流互感器原理图；图5是二次侧电流转电压电路原理图；图6是不同频率下电阻实测值曲线图；图7是不同频率下相角实测值曲线图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。应用于水泥水化电阻检测的非接触式阻抗测量仪一般环电压在1V左右，水泥电阻变化范围从200欧姆到20k，因此对应得检测电流数值在50uA-5mA之间。弱小电流精确检测非常困难，特别是50uA级别的电流。目前非接触式微小电流传感器主要有两种：一种采用有源零磁通传感器，比较适合工频电流测量，对于1khz-1Mhz电流测量，由于采用闭环跟踪控制策略实现零磁通，其频率响应跟不上，达不到1kHz以上造成效果非常差。另外一种采用普通环形电流器，通常采用以1J85坡莫合金为铁心的电流互感器，电流传感器匝数一般为100匝，取样电阻值为100k欧姆。这种方式的电流互感器在小电流检测时精度不高，易受外界环境干扰，噪声大，造成测量不准。坡莫合金铁芯的高频响应性能不太好，检测电流滞后实际测量电流的相角随着频率升高变大，数值也不固定。普通小电流互感器是一种进行能量转换和电流变换的升压变压器。变压器的铁芯形状大多选择环形，一次侧绕一匝或者数匝线圈(待测电流)，二次侧绕组线圈匝数较多。假定一次侧通入的电流信号为二次侧产生感应电流为一次侧、二次侧的线圈匝数分别为N1、N2。通常为外界给定，可认为是固定值。当流过一次侧绕组，会在环形铁芯中生成频率大小一样的交变磁通φ1，φ1同时穿过一次侧和二次侧线圈。当磁通φ1与二次线圈绕组交链时，由于磁通不断产生变化，会在二次绕组中感应出相应的电动势，从而产生感应电流。感应电动势又在环形铁芯中产生变化的磁通φ2，且φ2的方向和φ1相反。磁通φ1和φ2在环形铁芯中相互作用，最终形成励磁磁通φe，φe的磁通量一般只有φ1的百分之几。励磁磁通也是电流互感器的主磁通。励磁磁通φe会分别穿过一次侧和二次侧绕组，绕组会同时产生感应电动势和由于穿过每匝线圈的磁通量相同，每匝线圈都会有大小一样的电动势。电流互感器在理想的情况下，一次侧电流将全部转换到二次侧，不产生能量损失。一次侧绕组的磁动势N1和二次侧绕组的磁动势N2大小相等，方向相反。理想电流互感器的磁动势平衡方程为：电流互感器在实际工作中，为了在二次侧可以产生感应电动势，就必须将一部分磁动势用于铁芯励磁和功率损耗。此时磁动势平衡方程为：式中的为励磁电流。电流互感器的一次回路和二次回路是分开的，为了方便分析二者之间的联系，通常采用等效电路的形式来分析。图1为电流互感器的等效T型电路示意图。图1中电流是电流转换到一次侧的等效电流值，Z1、Zm分别是一次侧的阻抗值和励磁阻抗值，Z'2和Z'L分别是二次侧内阻抗和负载换算到一次侧的等效阻抗值。的折算公式为：电流互感器的一次侧与二次侧电流关系为：因此只有励磁电流在铁芯中生成励磁磁通，电流互感器才能进行能量传递。电流互感器的二次侧电流的大小与一次侧电流和互感器的结构参数有关，与电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器，其特征在于，包含一个主铁芯和一个副铁芯共两个相同的环形铁芯，这两个环形铁芯同轴叠置，二次线圈的其中一部分线圈一起穿过主铁芯和副铁芯，另一部分单独绕制在主铁芯上，在副铁芯上还单独绕有检测线圈，二次线圈的两端之间接有同向放大器/反向放大器，检测线圈的两端上连接有负载阻抗，检测时一次线圈同时穿过环形铁芯的内环并在一次线圈的两端输入检测激励电压，且这些线圈的匝数根据下述公式进行设定：

【技术特征摘要】
1.一种基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器，其特征在于，包含一个主铁芯和一个副铁芯共两个相同的环形铁芯，这两个环形铁芯同轴叠置，二次线圈的其中一部分线圈一起穿过主铁芯和副铁芯，另一部分单独绕制在主铁芯上，在副铁芯上还单独绕有检测线圈，二次线圈的两端之间接有同向放大器/反向放大器，检测线圈的两端上连接有负载阻抗，检测时一次线圈同时穿过环形铁芯的内环并在一次线圈的两端输入检测激励电压，且这些线圈的匝数根据下述公式进行设定：其中，Nb为所述另一部分的线圈的匝数，Nb2为检测线圈的匝数，N2为二次线圈的匝数。2.根据权利要求1所述的基于无源零磁通的非接触式微弱电流检测传感器，其特征在于，3.根据权利要求2所述的基于无源零磁通的非接触...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，饶靖，周颖，李勇波，何王勇，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42