一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，属于电流传感器领域。传感器采用铁芯‑印刷电路板组合式结构，在此结构基础上提出了二次绕组均等错落式绕线方式，有效减小了杂散电容；除此之外，负载电阻采用离散化分布方式，有效降低或消除了传感器的阶跃响应振荡，缩短了稳定时间。相比于传统的手工绕线线圈传感器，本发明专利技术提供的高频电流传感器，其二次绕组位置可以灵活调整、精细控制，采取的二次绕组错落式均等绕线方式、负载电阻离散化分布等技术方案显著提高了传感器的高频截止频率，同时大大提升了传感器的响应速度，减小了高频电流测量对传感器的冲击，可以满足大多数高频电流应用场合的测量需要。

【技术实现步骤摘要】
一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器
本专利技术属于电流传感器领域，更具体地，涉及一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器。
技术介绍
在工业生产和科学研究中，对周期性高频电流和快速脉冲电流信号的测量和计量有着广泛需求。在军工领域，特殊部件电镀工艺控制、军用电力电子器件的测试均需要准确计量脉冲电流，保证优秀的生产制造工艺和军工级别的产品可靠性；在冲击电流、雷电监测领域，高频电流传感器可以准确测量脉冲电流波形，为冲击电流发生器的研制与试验、雷电防护有效性的评估提供依据；在工业电子领域，高频电流传感器可用于电子设备电磁干扰(EMI)、电磁兼容(EMC)测试中测试信号的校准。常用的高频电流传感器包括分流器、空心线圈和电磁式电流传感器等。分流器需要串接在测量回路中，无法实现电气隔离；空芯线圈受传感原理限制，测量灵敏度低且受漏磁影响较大。基于电磁感应原理的电磁式电流传感器，又称铁芯线圈，具有隔离度高、频响范围宽、准确可靠等优点，在工业生产中已经获得广泛应用。以Pearson线圈为代表的铁芯线圈通过改良磁芯材料和合理设计参数结构来兼顾线圈的灵敏度和带宽，在高频电流测量场景具有优秀的适用性，但由于非线性磁化特性、分布杂散电容影响等固有因素，铁芯线圈的高频性能不佳，高频截止频率有待提升，在Pearson线圈的产品手册上，1％准确度给定频率也只达到100kHz；而且，测量高频电流时，传感器易受到冲击产生振荡，稳定时间较长。因此，迫切需要设计一种电磁式电流传感器，其可以提高铁芯线圈的高频截止频率，提升响应速度，改善其高频性能，以满足大多数高频电流应用场合的测量需要。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，旨在解决现有电磁式电流传感器高频截止频率受限于杂散参数难以提升和响应速度较慢的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，其特征在于，包括铁芯、上板、下板、内垫板、外垫板、导电铜线和负载电阻；所述上板和下板均为印刷电路板，分别位于铁芯的上下两面，表面均印刷有导电布线；所述导电铜线用于连接上板和下板相对位置上的导电布线，导电铜线与导电布线串联构成传感器的二次绕组；所述内垫板和外垫板分别位于所述铁芯的内侧和外侧，用于固定铁芯与上板、下板的相对位置。优选地，所述二次绕组采用均等绕线方式，所述导电布线以相等的弧度间隔轮流印刷于所在印刷电路板的正反两面。优选地，相邻两匝二次绕组错落排布。优选地，所述负载电阻包括多个串联连接的离散负载电阻。优选地，所述二次绕组分为多段线圈，每段线圈与所述离散负载电阻并联。优选地，所述每段线圈包含的匝数相等，所述离散负载电阻的阻值相等。优选地，所述内垫板和外垫板均由多块印刷电路板叠加形成。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、本专利技术采用铁芯-印刷电路板组合式结构，实现了数字化布线和全自动生产，相比于传统的手工绕线方式，二次绕组的位置可以灵活调整、精细控制，提高了杂散电容的可控性；2、本专利技术中二次绕组由印刷电路板上均等错落式布置的导电布线串联形成，减小了相邻绕组的相对面积，降低了杂散电容，大大提升了传感器的高频截止频率；3、本专利技术通过使负载电阻离散化布置，提高了传感器的响应速度，同时减小了高频电流测量对传感器的冲击。附图说明图1为本专利技术提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的剖面图；图2为本专利技术提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的上板导电布线示意图；图3为本专利技术提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的下板导电布线示意图；图4为本专利技术提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的上板、下板布线重合视图；图5为本专利技术提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器的错落式绕线方式示意图；图6为本专利技术提供的一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器在负载电阻集中和离散情况下的阶跃响应曲线图；其中，1-铁芯；2-上板；3-下板；4-内垫板；5-外垫板；6-导电铜线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。铁芯线圈基于磁感应原理测量电流，它是由二次绕组均匀绕制在环形骨架上，骨架由铁磁性材料制成；将通有被测电流的载流导线放置于环形骨架当中，载流导线垂直于线圈所在平面，并且两者的中心轴重合。对于稳态正弦电流，铁芯线圈的输出电压可以表示为Uout＝IRL/n，式中，工为被测电流，RL为铁芯线圈的负载电阻，n为二次绕组的匝数，Uout为铁芯线圈的输出电压。基于理论推导和数学计算，可以得到铁芯线圈的3dB高频截止频率表达式为fH＝1/(2·π·RL·C)，式中，fH为高频截止频率，π为圆周率，C为铁芯线圈的杂散电容。从高频截止频率表达式中可以看出，降低铁芯线圈的负载电阻RL和杂散电容C均可以使高频截止频率fH提高，但是，从线圈的输出电压Uout表达式可以看出，负载电阻RL的减小会使得输出电压Uout减小，造成灵敏度降低；因此一般从降低杂散电容C的角度出发，达到提升高频截止频率的目的。另一方面，测量高频电流时，传感器易受到冲击产生振荡，稳定时间较长，所以，优化传感器高频性能的另一重要方面就是降低传感器的振荡，提高其响应速度。故本专利技术从降低传感器杂散电容、提高响应速度两方面出发，解决现有电磁式电流传感器高频性能不佳的难题。本专利技术公开了一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器。传感器包括铁芯和印刷电路板；其中，铁芯作为集磁环，增加了传感器骨架的磁导率，保障了传感器的电流测量准确度；印刷电路板作为二次绕组的载体，实现了数字化布线和全自动生产，提供了后续均等绕线的基础，使二次绕组分布间隔均匀对称，提高了传感器杂散电容的可控性。示例性地，传感器骨架为开有中心通孔的圆环形铁芯，由铁磁性材料构成，外半径为r3，内半径为r4，厚度为h。印刷电路板包括上板、下板、内垫板和外垫板；上板、下板均是一块圆环形印刷电路板，分别位于铁芯的上下两面，外半径为r1，内半径为r2，板厚为h＇；内垫板、外垫板均由m块圆环形印刷电路板叠加形成，分别组装在铁芯的内侧和外侧，其中，内垫板的外半径为r4，内半径为r2，外垫板的外半径为r1，内半径为r3，板厚均为h′，上述尺寸参数满足以下关系式：r1＞r3＞r4＞r2m×h′＝h内垫板、外垫板用于固定铁芯、上板、下板的相对位置；上板和下板上印刷有导电布线，导电布线和导电铜线串联构成传感器的二次绕组。进一步地，二次绕组采用均等绕线方式布置：导电布线以相等的弧度间隔均匀地依次轮流印刷于所在电路板的正反两面，利用导电铜线将所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，其特征在于，包括铁芯(1)、上板(2)、下板(3)、内垫板(4)、外垫板(5)、导电铜线(6)和负载电阻；/n所述上板(2)和下板(3)均为印刷电路板，分别位于铁芯(1)的上下两面，表面均印刷有导电布线；/n所述导电铜线(6)用于连接上板(2)和下板(3)相对位置上的导电布线，导电铜线与导电布线串联构成传感器的二次绕组；/n所述内垫板(4)和外垫板(5)分别位于所述铁芯(1)的内侧和外侧，用于固定铁芯(1)与上板(2)、下板(3)的相对位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种杂散参数精细化可调的高频电流传感器，其特征在于，包括铁芯(1)、上板(2)、下板(3)、内垫板(4)、外垫板(5)、导电铜线(6)和负载电阻；
所述上板(2)和下板(3)均为印刷电路板，分别位于铁芯(1)的上下两面，表面均印刷有导电布线；
所述导电铜线(6)用于连接上板(2)和下板(3)相对位置上的导电布线，导电铜线与导电布线串联构成传感器的二次绕组；
所述内垫板(4)和外垫板(5)分别位于所述铁芯(1)的内侧和外侧，用于固定铁芯(1)与上板(2)、下板(3)的相对位置。


2.如权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述二次绕组采用均等绕线方式，所述导电布线以相等的弧度间隔轮流印刷于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红斌，陈庆，焦洋，龚慧，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42