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㊀２０１８年㊀第２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０１８㊀Ｎｏ．２㊀收稿日期：２０１７－０３－０６一种零磁通霍尔电流传感器驱动电路设计潘㊀峤１，２，许留伟１，蒋㊀力１（１．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥㊀２３００３１；２．中国科学技术大学，安徽合肥㊀２３００６２）㊀㊀摘要：基于零磁通霍尔电流传感器的原理和特性，设计了一种以ＤＳＰ为核心的数字驱动电路，着重介绍了其中的ＤＳＰ处理电路和功率放大电路的结构和功能㊂通过分析稳态误差的与系统参数的关系，得出了放大电路增益越大稳态误差越小的结论㊂实验验证了该设计的可行性，实验数据表明该传感器系统具有良好的精度和线性度㊂关键词：霍尔电流传感器；零磁通；数字驱动电路；ＤＳＰ；功率放大中图分类号：ＴＭ９３㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０２－００２８－０３ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｒｉｖｅｒＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＺｅｒｏ⁃ｆｌｕｘＨａｌｌＣｕｒｒｅｎｔＳｅｎｓｏｒＰＡＮＱｉａｏ１，２，ＸＵＬｉｕ⁃ｗｅｉ１，ＪＩＡＮＧＬｉ１（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ２３００６２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｚｅｒｏ⁃ｆｌｕｘｈａｌｌｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ，ａｄｉｇｉｔａｌｄｒｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔｃｏｒｅｄｏｎＤＳＰｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｍｐｈａｓｉｓｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏＤＳＰｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅ⁃ｔｗｅｅｎｔｈｅｓｔｅａｄｙ⁃ｓｔａｔｅｅｒｒｏｒａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒ⁃ｃｕｉｔ，ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅｓｔｅａｄｙ⁃ｓｔａｔｅｅｒｒｏｒｉｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｉｓｓｅｎｓｏｒｈａｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｌｉｎｅａｒｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈａｌｌｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ；ｚｅｒｏ⁃ｆｌｕｘ；ｄｉｇｉｔａｌｄｒｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ；ＤＳＰ；ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ０㊀引言霍尔传感器精度高㊁灵敏度高，广泛应用于工业测量中㊂其中，零磁通式霍尔电流传感器具有闭环系统的优点以及间接测量的特点，成为了大电流测量领域中的热门选择［１］㊂使用零磁通霍尔电流传感器测量大电流时，传统模式是使用模拟驱动电路（主要是模拟积分器和比较器）来产生驱动二次线圈的ＰＷＭ信号，这样的驱动电路有着结构简单㊁精度高的优点，然而在实际使用中模拟驱动电路的缺点也非常明显 电路抗干扰能力差，输出的功率不够大，不方便调试等㊂本文以零磁通霍尔电流传感器为基础，以测量上限高至３０ｋＡ的电流为目的，设计了一种以ＤＳＰ芯片来处理信号的数字驱动电路㊂这种设计在保证了精度的同时，将驱动电路与测量头分开，避免了在强磁场环境中受到干扰；可直接通过上位机调节闭环参数，方便了对传感器的调试㊂１㊀零磁通霍尔电流传感器基本原理零磁通霍尔电流传感器的原理如图１所示，整个传感器系统由一次侧导体㊁铁芯㊁霍尔元件㊁运算放大电路㊁ＰＩ调节电路㊁功率放大电路㊁二次侧线圈组成㊂图１㊀零磁通霍尔电流传感器原理图这种传感器的工作状态是：一次侧待测导体中的电流Ｉ１在铁芯中产生的磁场Ｂ１与二次侧线圈Ｉ２产生的磁场Ｂ２相平衡，从而使霍尔元件Ｈ始终保持零磁通的工作状态㊂在整个传感器系统稳定时，一次侧和二次侧的电流大小与匝数的乘积始终保持相等，即有：Ｎ１㊃Ｉ１＝Ｎ２㊃Ｉ２（１）因此，在已知一次侧线圈匝数Ｎ１＝１，二次侧线圈匝数Ｎ２，并且能够通过测量采样电阻Ｒ上的采样电压ＶＲ计算出二次侧电流Ｉ２时，即可通过式（１）算出一次侧电流Ｉ１的大小：㊀㊀㊀㊀㊀第２期潘峤等：一种零磁通霍尔电流传感器驱动电路设计２９㊀㊀Ｉ２＝Ｎ１Ｎ２Ｉ１（２）补偿电流Ｉ２的产生方式：霍尔元件在感受到磁场的不平衡后，产生霍尔电压ＶＨ，这个霍尔电压经过比例放大和积分调节后，转换为ＰＷＭ信号用于驱动功率放大电路，再由功率放大电路来提供相应大小的电压，产生二次侧的电流Ｉ２㊂考虑到使用的铁芯为正方形框体形状，铁芯上不同位置处的磁场强度不同，为提高系统整体精度，在铁芯的互为中心对称的框体四边的中点位置设置霍尔元件，共计４个霍尔元件，分别用来感受４点的磁场强度，以这４个霍尔电压的总的大小和来衡量磁场的不平衡量，作为系统的反馈量㊂２㊀数字驱动电路本传感器的驱动电路主要由运算放大电路㊁ＤＳＰ处理电路㊁光耦电路和功率放大电路组成㊂其中运算放大电路用于把从霍尔元件上获得的霍尔电压调节到适合输入到ＤＳＰ的范围内；光耦电路在ＤＳＰ处理电路和功率放大电路之间，在数字电路和模拟电路之前起到隔离作用，同时也限制了驱动信号大小，起到了过压保护的作用㊂２．１㊀ＤＳＰ处理电路数字驱动电路中使用的ＤＳＰ为ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＰＧＦＡ㊂这款器件具有精度高㊁成本低㊁功耗小㊁外设集成度高㊁数据及程序存储量大㊁Ａ／Ｄ转换更精确快速等优点㊂ＤＳＰ处理电路单独放在一块电路板上，用于实现Ａ／Ｄ转换㊁ＰＩ调节㊁过温过压保护㊁与上位机通信㊁开环调试功能㊂ＤＳＰ信号处理板块结构如图２所示，其中采样通道１ ４分别接收４个霍尔元件的霍尔电压，这些信号在经过处理后送入ＤＳＰ进行Ａ／Ｄ转换和ＰＩ调节，之后ＤＳＰ将处理好的信号发送到ＣＰＬＤ㊂ＣＰＬＤ通过编程来分配ＤＳＰ发来的信息，将信号以ＰＷＭ波的形式分配到光耦电路，驱动之后功率放大电路中的多个三极管，这得益于ＣＰＬＤ可以很方便地改变输出定义管脚，ＣＰＬＤ还能起到保护的作用，即在收到保护信号后通过改变相应的标志位来封锁脉冲，其中能收到的保护信号包括了从温度传感器发送的过温保护信号和从光耦电路的过压保护信号，任一保护信号都会使得ＣＰＬＤ不再向下一级的光耦电路发送ＰＷＭ波㊂ＤＳＰ也会通过串行接口与上位机保持实时通信，以便操作者可以在上位机上远程操作和获取信息，实现了以下功能：图２㊀ＤＳＰ处理电路板块结构图（１）接收故障信号，在上位机的程序界面中显示㊂（２）通过上位机的程序，使用者可选择开环调试和闭环运行２种模式㊂开环调试模式中，在上位机上直接输入占空比即可直接控制ＤＳＰ向下一级发送固定占空比的ＰＷＭ波，用于在给定固定占空比的情况下对系统进行调试；闭环运行为传感器系统的正常运行状态，使用者可以在上位机上手动输入ＤＳＰ进行ＰＩ调节的ＫＰ和ＫＩ参数㊂（３）上位机可以将接收到的ＰＷＭ信号以波形图或者数据的形式储存下来㊂２．２㊀功率放大电路功率放大电路的原理图如图３所示㊂图３㊀功率放大电路原理图该电路部分由一个带有正负向的直流电源供电，其中ＶＤＣ＋＝－ＶＤＣ－，０标签处为０电位［２］㊂整个电路采用这样正负向对称的设计即为更方便地在引出位置（即二次侧线圈串联采样电阻）输出正向和反向的电压；４路ＰＷＭ波分别用于驱动Ｔ１㊁Ｔ２㊁Ｔ３㊁Ｔ４这４个ＭＯＳＦＥＴ，通过控制这４个三极管的开通关断来控制引出位置的电压㊂其中ＰＷＭ１㊁ＰＷＭ３为一组，逻辑电平上为非的关系；ＰＷＭ２㊁ＰＷＭ４为一组，逻辑电平上为取非的关系㊂根据产生电压的方向，这２组中有一组为设置好占空比的ＰＷＭ波，另一组为恒定的高低电平㊂具体工作原理以正向为例来说明㊂在需要产生正向电压时，ＰＷＭ２为高电平，三极管Ｔ２一直开通，对应的ＰＷＭ４为低电平，三极管Ｔ４一直关断；ＰＷＭ１为设置好占空比的ＰＷＭ波，用于控制三极管Ｔ１；ＰＷＭ３与ＰＷＭ１为逻辑运算取非关系，此时的三极管Ｔ３的开通关断对电路无影响㊂Ｔ１开通时，电流方向：ＶＤＣ＋ңＴ１ңＴ２ң引出位置ң０；Ｔ１关断㊀㊀㊀㊀㊀３０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０１８㊀时电流方向：引出位置ңＤ１ңＴ２ң引出位置，形成续流回路㊂引出位置接的二次侧线圈相当于很大的电感，这种方式通过控制ＰＷＭ１的占空比实现了控制二次侧线圈上的电压㊂３㊀稳态误差整个传感器闭环系统的框图如图４所示［３］㊂图４㊀闭环系统框图等价变换后的系统框图如图５所示㊂图５㊀等价变换后的系统框图图５中：Ｇ（ｓ）＝Ｋ１Ｋ２Ｋ３Ｋ４（３）Ｈ（ｓ）＝１Ｋ１Ｋ５Ｋ６（４）系统的稳态误差：Ｅ（ｓ）＝Ｉ１（ｓ）－ＮＩ２（ｓ）（５）写成时域形式：ｅ（ｔ）＝Ｉ１（ｔ）－ＮＩ２（ｔ）（６）令该系统的输入Ｉ１（ｔ）＝１，则有Ｉ１（ｓ）＝１／ｓ，系统的稳态误差：ｅｓｓ＝ｌｉｍｔңɕｅ（ｔ）＝ｌｉｍｓң０ｅ（ｓ）＝ｌｉｍｓң０ｓＩ１（ｓ）１＋Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ６＝ｌｉｍｓң０１１＋Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ６（７）在式（７）中，Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ６越大，稳态误差越小㊂其中Ｋ２㊁Ｋ５和Ｋ６为常量，Ｋ４为功率放大电路的增益，从能耗角度，可选择的范围有限，且不方便调节，被固定为常量㊂Ｋ３为初级放大的增益，容易调整，所以只需将Ｋ３的值调到足够大即可使得传感器系统的稳态误差符合测量需求㊂相较于传统模拟驱动电路必须要修改运算放大电路物理参数才能调节初级放大倍数，这种数字驱动电路则优越和方便了许多，由于其初级放大由运算放大器和ＤＳＰ的增益调节共同组成，只需通过操作上位机控制ＤＳＰ调节增益即可达到调节初级放大增益的目的，这样的操作是可以在使用或调试传感器的过程中随时实现的㊂４㊀实验数据实验数据见表１㊂实验中用绕制大型线圈的方式模拟了一次侧的大电流，一次侧绕组匝数为５３２００；二次侧绕组匝数为９０００；ｉ为一次侧单匝的电流测量值；ｉｏ为二次侧的采样电流；Ｉ为一次侧的换算电流，Ｉ＝５３２００ˑｉ；Ｉｏ为二次侧的换算电流，Ｉｏ＝９０００ˑｉ；δ为相对误差㊂表１㊀电流测试数据组号ｉ／Ａｉｏ／ＡＩ／ＡＩｏ／Ａδ／％１０．０４４７０．２６２７２３７８．０４２３６４．３００．５８２０．０９３７０．５５１７４９８４．８４４９６５．３００．３９３０．１４７５０．８６８４７８４７．００７８１５．６００．４０４０．１９５２１．１５１３１０３８４．６４１０３６１．７００．２２５０．２３７０１．３９８４１２６０８．４０１２５８５．６００．１８６０．２７３０１．６０９５１４５２３．６０１４４８５．５００．２６７０．３３８０１．９９１８１７９８１．６０１７９２６．２００．３１８０．３９３０２．３１６８２０９０７．６０２０８５１．２００．２７９０．４３６０２．５６８９２３１９５．２０２３１２０．１００．３２１００．４８５０２．８６３０２５８０２．００２５７６７．０００．１４１１０．５２８０３．１２２４２８０８９．６０２８１０１．６００．０４１２０．５８７０３．４６６８３１２２８．４０３１２０１．２００．０９㊀㊀从表１可以看出，最大相对误差为０．５８％，出现在实验中电流最小的点，且明显有电流较小时相对误差更大的情况出现，造成这种情况的原因是零点漂移消除得不够彻底，数据较小时，采样处测量的零点漂移影响了传感器的精度㊂整体精度达到了１．０级㊂从实验数据中计算得线性度为０．２５％㊂５㊀结束语从实验数据来看，测量的电流越大，相对误差越小，除了第一组数据外，其他的相对误差均小于０．５％㊂造成这种情况的原因主要为两组电流读数时产生了误差和整个传感器系统的零点漂移消除得不够彻底，因此，对硬件的调整和升级可以使传感器精度进一步提高㊂参考文献：［１］㊀秦祖萌．霍尔电流传感器的性能及其使用［Ｊ］．电力电子技术，１９９４（４）：６３－６５．［２］㊀汤清泉，颜世超，卢松升，等．三电平逆变器的功率管开路故障诊断［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８（２１）：２６－３２．［３］㊀ＬＵＷＫ，ＺＨＵＣＣ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｎｅｗｈａｌｌｚｅｒｏ⁃ｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｔｙｐｅｏｆｔｈｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｈａｒｄｎｅｓｓｆｏｒａｍａｃｈｉｎｅｅｌｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２００５，３７（２）：１１９－１２２．作者简介：潘峤（１９９２ ），硕士研究生，主要从事电测和传感器研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：０５２０ｆｒｏｓｔ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ许留伟（１９６７ ），研究员，主要从事高功率脉冲㊁电工理论与新技术㊁无功补偿理论与控制㊁超导储能方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｕｌｗ＠ｉｐｐ．ａｃ．ｃｎ。
基于Simulink的零磁通微电流传感器的仿真与实验王文;吝伶艳;乔记平;宋建成【摘要】This paper establishes a model of current sensor based on Simulink according to the principle of zero flux. In order to compensate error of micro current sensor accurately,and improve the accuracy measured,active compen-sation and passive compensation are combined to decrease current sensor measurement error in the area of small current. Simulation results are given to demonstrate the validity and correctness of the model. On the basis of estab-lished model,this paper develops a micro current sensor,and its error has been measured. The results show that the accuracy of the current sensor can reach to grade 0.2 by using the above compensating process,when the measuring range is from milliampere to microampere.%根据零磁通补偿原理,基于Simulink平台建立了带有零磁通补偿的微电流传感器模型.为了快速准确地补偿微电流传感器的误差,提高微电流传感器的测量精度.该模型中的补偿单元采用有源与无源相结合的方法对对输出电流进行相位和幅值补偿.通过对仿真结果的分析,证明了该模型的正确性和有效性.并根据模型研制出了一种零磁通微电流传感器,对其误差进行测量.结果表明利用该补偿方法时电流传感器在测量微安级到毫安级的工频电流时准确度可达到0.2级,且补偿方式方便快捷.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2017(030)009【总页数】5页(P1343-1347)【关键词】微电流传感器;零磁通;有源补偿;无源补偿【作者】王文;吝伶艳;乔记平;宋建成【作者单位】太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,太原030024;太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,太原030024;太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,太原030024;太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TM452高精度微电流传感器是实现电力系统在线监测的重要工具,是整个在线监测系统中的重要组成部分,担负着采集信号的任务。
传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2009年第28卷第10期高精度零磁通电流传感器的研究张振洪,赵有俊(山东科技大学,山东泰安271019)摘 要:普通电流传感器的测量精度只有3%～5%,难以满足高精度测量的需要。
通过对电流传感器误差的分析,在普通电流传感器的基础上,加入电子线路动态跟踪铁芯中的激磁电流并进行补偿,使铁芯动态地达到“零磁通”状态。
分析了加入电子补偿线路后电流传感器的工作原理、电子线路的结构与线路中参数的确定方法,并对铁芯的材料、结构与屏蔽等做了分析。
测试表明:电流传感器的精度得到了提高,补偿效果良好。
关键词:电流传感器;零磁通;电子线路;补偿中图分类号:TM461 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2009)10—0052—03Study on high2precision current sensor with zero fluxZHAN G Zhen2hong,ZHAO Y ou2jun(Shandong U niversity of Science and T echnology,T aian271019,China)Abstract:The measurement accuracy of common current sensor is only3%～5%and it is difficult to meetthe needs of high2precision measurement.Through the error analysis of current sensor,the electronic circuitis added to the common current sensor to track the magnetizing current of iron core and compensate itdynamically,so that the iron core can achieve“zero flux”state.The working principle of current sensor byadding electronic compensation circuit,the structure of electronic circuit and the selection method ofparameters in circuit are analyzed.The material and structure of iron core and shielding method of currentsensor are also analyzed.The performance test shows that the accuracy of current sensor is improved andthe compensation effect is good.K ey w ords:current sensor;zero flux;electronic circuit;compensation0 引 言在高压电器设备的绝缘在线监测过程中,泄漏电流的提取是分析绝缘状况的一个重要环节。
零磁通式高精度直流电流霍尔数字传感器设计
井辉
【期刊名称】《科技通报》
【年(卷),期】2015(31)12
【摘要】首先分析了目前直流电流霍尔传感器存在诸多问题,并在此基础上提出了零磁通式数字直流电流霍尔测量电路的设计。
并且给出了软件的设计思路,说明了软件各个某块的设计。
另外为了提高测量精度,提出了一种利用逆向磁场抵消的方式提高测量精度的软件设计方法。
【总页数】3页(P245-247)
【关键词】直流电流霍尔传感器;零磁通;逆向磁场
【作者】井辉
【作者单位】南京城市职业学院软件学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP18
【相关文献】
1.一种10kA零磁通霍尔电流传感器的设计与仿真 [J], 邓晨;潘启军;赵治华;张向明
2.零磁通直流电流传感器及其在电流标准源中的应用 [J], 李莉;才滢
3.一种零磁通霍尔电流传感器驱动电路设计 [J], 潘峤;许留伟;蒋力
4.基于磁通门原理的零磁通交直流电流传感器 [J], 岳长喜;项琼;骆雪;王欢;朱凯;刘
浩
5.零磁通霍尔电流传感器磁路仿真 [J], 李傲梅;王林森
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零磁通直流电流互感器的工作原理零磁通直流电流互感器（Zero Magnetic Flux DC Current Transformer，简称ZMFCT）是一种用于测量直流电流的传感器。
它通过将直流电流转换为交流电流，并结合传感器的工作原理实现电流的测量。
以下是ZMFCT的工作原理的详细解释。
ZMFCT的核心部件是一个铁心，其构成包括一个闭合的磁路和一个绕制在铁心上的线圈。
当通过传感器的直流电流I0时，电流会产生一个磁场，该磁场会导致磁通通过铁心和线圈。
这个磁通量通常表示为Φ。
为了测量这个磁通量，ZMFCT采用了反馈控制操作。
当直流电流I0通过线圈时，它会产生一个电压信号V0。
这个电压信号经过特定的信号处理电路，例如功率放大器和比较器，然后与一个参考信号进行比较。
如果比较结果显示V0与参考信号相等，那么传感器的工作状态就是稳定的。
此时，系统可以通过降低或增加线圈上的电压信号来增加或减少通过传感器的磁通量。
当磁通量达到零时，直流电流I0可以通过调整电压信号V0的幅度来维持在一个稳定的水平上，称之为零磁通点。
ZMFCT的工作原理是基于磁通量与线圈电压之间的关系。
根据法拉第定律，磁通量的变化会导致线圈上的感应电动势的产生。
通过测量这个感应电动势，可以间接测量通过线圈的磁通量，从而得到直流电流的值。
零磁通点是传感器的一个关键参数。
在零磁通点上，磁通量等于零。
为了实现零磁通点，通常在铁心上放置一个零磁通点补偿线圈（Zero Magnetic Flux Control Coil，简称ZMFCC）。
这个线圈会通过反馈控制电路来进行调整，以消除磁通量。
通过不断调整ZMFCC上的电流，可以使得通过主线圈的磁通量稳定在零磁通点。
在实际应用中，ZMFCT通常被用于直流电流测量和保护系统中。
它具有测量范围广、精度高、响应速度快等优势。
然而，ZMFCT也存在一些局限性，例如对于高频和高速变化的电流信号的测量能力较弱。
总结起来，零磁通直流电流互感器的工作原理是通过将直流电流转换为交流电流，并结合反馈控制和补偿线圈的原理来实现电流的测量。
磁通门零磁通技术电流传感器原理解析一、引言电流传感器是一种广泛应用于电力系统中的重要装置，用于测量电路中的电流大小。
而磁通门零磁通技术电流传感器是一种常用的电流传感器，本文将对其原理进行详细解析。
二、磁通门零磁通技术电流传感器的基本原理磁通门零磁通技术电流传感器是一种基于法拉第电磁感应定律的传感器。
其基本原理是利用电流通过导线时所产生的磁场，通过检测磁场的变化来测量电流的大小。
三、磁通门零磁通技术的工作原理磁通门零磁通技术电流传感器采用了一对磁通门结构，其中一个磁通门固定在传感器的铁芯上，另一个磁通门则通过电流传感器的主导线穿过。
当电流通过主导线时，由于电流的存在，会在主导线周围产生一个磁场，进而影响到磁通门结构中的磁通量。
通过测量磁通门结构中的磁通量变化，可以间接得到电流的大小。
具体而言，磁通门零磁通技术电流传感器中的磁通门结构由一对同轴放置的磁通门组成。
在正常工作状态下，两个磁通门的磁通量相等。
当主导线中有电流流过时，由于电流的存在，会在主导线周围形成一个磁场，从而改变磁通门结构中的磁通量。
为了实现零磁通的状态，磁通门结构中会通过调节一个校准线圈的电流来抵消主导线中的磁场产生的影响，使得磁通门结构中的磁通量保持不变。
通过测量校准线圈中的电流大小，可以得到电流传感器中主导线中电流的准确值。
四、磁通门零磁通技术电流传感器的优势相比于其他电流传感器，磁通门零磁通技术电流传感器具有以下几个优势：1. 高精度：磁通门零磁通技术电流传感器通过校准线圈来实现零磁通状态，从而提高了测量的精度和准确性。
2. 宽量程：磁通门零磁通技术电流传感器可以根据需要调整校准线圈的电流，从而适应不同电流范围的测量需求。
3. 快速响应：磁通门零磁通技术电流传感器具有较高的响应速度，可以快速准确地测量电流的变化。
4. 抗干扰能力强：磁通门零磁通技术电流传感器采用了差分测量的方法，可以有效抑制外界电磁干扰，提高了测量的稳定性和可靠性。
零磁通电流传感器原理
零磁通电流传感器由一个矩形形状的磁芯和两个绕制在磁芯上的线圈
组成。
其中一个线圈称为激励线圈，用来传输激励电流；另一个线圈称为
测量线圈，用来测量感应电动势。
激励线圈和测量线圈串联在一起，形成
一个闭合电路。
在工作时，激励线圈中流过的电流产生一个电磁场，这个电磁场会穿
过磁芯。
由于测量线圈与激励线圈相邻，磁芯中的磁场也会穿过测量线圈。
当穿过测量线圈的磁场发生变化时，就会产生一个感应电动势。
为了使测量线圈中的感应电动势为零，需要进行一些调节。
这是通过
调整传感器的激励电流来实现的。
当激励电流的大小调整到合适的值时，
由于磁芯的磁场和测量线圈中感应电动势的方向相反，两者会抵消，从而
使得测量线圈中的感应电动势为零。
通过测量线圈中的感应电动势是否为零，可以确定电流的大小。
如果
感应电动势为正，那么电流的方向是从激励线圈流向测量线圈；如果感应
电动势为负，那么电流的方向是从测量线圈流向激励线圈。
根据感应电动
势的大小也可以确定电流的大小。
1.由于测量线圈中的感应电动势为零，可以避免了传统电流互感器中
的磁通饱和问题，从而提高了测量精度。
2.传感器采用了封闭式结构，可以保护内部敏感元件免受外界干扰。
3.零磁通电流传感器的结构简单，易于制造和维护。
总结起来，零磁通电流传感器是一种基于电磁感应原理的传感器，可
用于测量电流。
通过调节激励电流使得测量线圈中的感应电动势为零，可
以确定电流的大小和方向。
该传感器具有高度的准确性和稳定性，适用于许多应用领域。
基于零磁通的双隔离高电压传感器设计与实现
牟宏杰;王阳;许涛;钟贻兵;高明星
【期刊名称】《传感技术学报》
【年(卷),期】2024(37)2
【摘要】传统霍尔电压传感器测量千伏级电压采用外接电阻转换成电流的方式,存在输入功率大和测量隔离度低的问题。
基于此,设计了一种基于零磁通的双隔离高电压传感器。
设计电阻阵列、仪表放大和运放双跟随匹配的U/I转换电路,降低输入功耗并精确传送测量电压;引入特殊耐高压设计的霍尔模块,对原次级磁场建立零磁通反馈,实现测量和输出隔离以及高精度线性转换;设计宽电压式DC-DC电源对内部高低压模块隔离供电。
测试结果表明,传感器线性度优于0.1%,精度优于0.2%,耐压达到2000 V,具有重要的工程价值。
【总页数】6页(P183-188)
【作者】牟宏杰;王阳;许涛;钟贻兵;高明星
【作者单位】山东航天电子技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.1;TP212.9
【相关文献】
1.基于磁通门原理的零磁通交直流电流传感器
2.单柜实现双隔离带接地双电压互感器的改造设计
3.基于FPGA的数字磁通门传感器系统设计和实现
4.基于磁通门和
磁阻传感器的混合宽带磁传感器的研究与设计5.基于零磁通原理的小电流传感器设计
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基于零磁通原理的高精度小电流传感器的研究摘要：分析了零磁通电流互感器的原理，提出了一种用超微晶合金做铁芯，增加自适应动态电子电路，实现小电流传感器的“动态零磁通”的新方法。
关键词：小电流传感器；零磁通；误差引言用电流传感器作为电气设备绝缘在线检测系统的采样单元，已得到业内人士的共识。
目前，电流传感器有多种类型，如霍尔传感器、无磁芯电流传感器、高导磁非晶合金多谐振荡电流传感器、电子自旋共振电流传感器等。
由于电力系统使用环境的特殊性，许多传感器存在自身的局限性。
目前应用于电力系统的电流传感器多是以电磁耦合为基本工作原理的，从采样方式上分，这类传感器主要有直接串入式、钳式、闭环穿芯式三种。
为保证采样的准确性，使输出、输入信号间的比值差和相角差尽量小，研究人员采用的误差补偿方法有：短路有源补偿法、纯电阻误差补偿法、二次阻抗完全补偿法、自平衡电子补偿法等。
大量的研究试验表明，基于“零磁通原理”的小电流互感器更适合电力系统绝缘在线检测的要求。
本文所述小电流传感器即是以此为基本原理，加上自适应动态跟踪电子电路的应用，使小电流传感器具有高精度、高稳定度、抗干扰能力强的优点。
电力系统绝缘在线检测对电流传感器的基本要求电力系统绝缘在线检测系统长期工作在强电磁场环境中，且多为户外环境。
作为其采样输入端，小电流传感器必须能高精度、高稳定性地完成采样工作。
然而，由于被采信号小，它极易受电磁场、温度、湿度等因素的干扰影响。
为了能在电力系统强噪声干扰环境下准确采样，用于在线检测的小电流传感器应满足以下条件：采样范围在几百μA级至几mA级。
灵敏度高，输出能灵敏反应输入量的微小变化；输出信号尽可能大。
在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，输出信号与被测信号间的比值差、角差小，并且其差值稳定，不随温度等因素的变化而变化。
抗干扰能力强，电磁兼容性好。
电流互感器的“零磁通原理”穿芯式小电流互感器的原理如下:设I1为小电流互感器一次侧电流，I2为二次侧电流，I0为激磁电流。
基于磁通门原理的高精度电流传感器的研制【摘要】分析了磁通门式电流传感器的原理。
该电流传感器由晶振产生方波驱动磁芯，改善了传统RC模拟激磁电路的稳定性问题；用结构更加简单的峰值检波电路取代传统复杂的谐波法电路，简化了电路设计，并降低了系统功耗；实验结果表明，该电流传感器实现了预期功能，性价比较高，具有良好的推广价值。
【关键词】磁通门；峰值检波；电流传感器1.引言用电流传感器作为电气设备绝缘在线检测系统的采样单元，已得到业内人士的共识。
目前，电流传感器有多种类型，如霍尔传感器、无磁芯电流传感器、高导磁非晶合金多谐振荡电流传感器、电子自旋共振电流传感器等。
由于电力系统使用环境的特殊性，许多传感器存在自身的局限性。
目前应用于电力系统的电流传感器多是以电磁耦合为基本工作原理的，从采样方式上分，这类传感器主要有直接串入式、钳式、闭环穿芯式三种。
大量的研究试验表明，基于“零磁通原理”的小电流传感器更适合电力系统绝缘在线检测的要求。
本文所述小电流传感器即是以磁通门技术为基本原理，加上闭环控制在电子电路中的应用，使小电流传感器具有高精度、高稳定度、抗干扰能力强等优点。
2.磁通门原理与电流传感器系统组成2.1 磁通门原理磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。
这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。
利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。
本文采用现有技术中结构简单应用较广泛的一种单绕组磁通门。
环形磁芯上绕有线圈，此绕组即作为激励绕组又作为测量绕组。
所测电流从磁环中间穿过。
如图1所示。
一般磁性材料都有S形状曲线的特性，称之为磁滞回路（hysteresis loop），如图2所示。
此磁滞回路曲线建立在B-H的坐标轴上，为磁性材料遭受完全磁化与非磁化周期，下图所示为典型磁滞曲线的铁心，如果曲线由a点开始，此点表示最大正磁化力，至b点磁化力为零，然后下降至c点为最大负磁化力，再至d点磁化力为零，最后返回最大正磁化力的a点，此即为整个磁性周期。
设计与制造零磁通电流传感器的研制3王伟杰,卫 军,赵学增,聂 鹏(哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:对电流传感器的误差进行了分析,研制了一种用于高压电容性设备在线监测的穿心式高准确度微电流传感器。
通过单片机系统,对激磁电流进行补偿,使传感器近似工作在“零磁通”状态。
测试表明,补偿收到了良好的效果。
关键词:电流传感器;零磁通;补偿;单片机中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1000-9787(2003)08-0024-03 Development on the current transducer with zero fluxWAN G Wei2jie,WEI J un,ZHAO Xue2zeng,N IE Peng(Coll of E lec and Mech E ngin,H arbin I nstitute of T echnology,H arbin150001,China)Abstract:The error of the current transducer is analyzed.A type of low current transducer with cored structure and high accuracy is described which is specially designed for on line monitoring of high voltage apparatus.The circuit in the transducer can track the variation of magnetizing current and compensate it by single chip processor systems automatically to assure the magnetic core working in“zero flux”condition.The test of the current transducer shows that the design gets satisfactory results.K ey w ords:current transducer;zero flux;compensation;single chip processor0 引 言测量用的传感器及其测试仪器是经典的电工仪器,发展至今约有一个世纪。
随着生产技术的发展,一方面对传感器提出各种新的要求,另一方面新材料新技术提高了传感器的性能[1]。
在电力设备状态监测技术中,微电流(μA,mA级)传感器应用越来越广泛。
单匝穿心式微电流传感器由于其原副边隔离,对设备接线无影响等特点,成为高压电容性设备在线监测用电流传感器的首选。
对于此种电流传感器,要求其准确度高,有良好的抗电磁干扰能力和长时间的稳定性,因此,选择正确的误差补偿方法是问题的关键。
1 电流传感器的误差分析及补偿方法对于理想电流传感器,电流传感器的铁心如果不消耗能量,那么一次绕组的能量全部传递到二次绕组。
则有E1I1=E2I2,E1 E2=N1N2,收稿日期:2003-02-243基金项目:黑龙江省电力局科技攻关项目(200175)式中 E1,E2为一次绕组、二次绕组感应电势; I1,I2,为一次绕组、二次绕组电流; N1,N2为一次绕组、二次绕组的匝数。
理想电流传感器的电流比为K=I1I2=N2N1.这就是电流传感器计算的基本公式。
可由上式计算电流比和一次绕组、二次绕组匝数。
还可得出I1N1=I2N2.电流与匝数的积,称安匝数,单位安匝。
电流传感器一次绕组安匝数等于二次绕组安匝数。
但实际上电流传感器在工作中不可避免有能量的损失。
电流传感器误差的主要原因在于激磁电流也即激磁安匝的存在。
要使二次绕组产生电流,必须要有激磁电流I0来激磁才产生感应电势,从而产生电流。
激磁电流由一次绕组提供。
激磁电流I0与一次绕组匝数N1的积I0N1,叫激磁安匝或激磁磁动势。
就是一次绕组安匝I1N1要扣除激磁安匝I0N1才传递到二次绕组,这时误差产生了。
I0N1所引起的误差[2],通常表示为42 传感器技术(Journal of Transducer Technology) 2003年第22卷第8期 ε=-I0N1I1N1=f+jδ,式中 f称为比差,用百分值表示为f=I2K n-I1I1×100%=(I2I1K n-1)×100%,K n=I1/I2,称为额定变化;δ称为角差,是指次级安匝I2N2逆时针旋转180°,超前I1N1的为正角差,反之为负角差。
降低电流传感器误差的方法,无不基于减小或相当于减小激磁电流而设计。
传统的误差补偿方法主要是无源补偿,包括匝数补偿、辅助铁心补偿、电容补偿。
这些方法,作为电流传感器的自补偿方法,只有在特定的情况下,才能得到有效的补偿,存在很大的局限性。
使用简单的补偿方法只能补偿一部分误差。
如匝数补偿只对比差起到补偿作用,补偿量与二次负荷和电流大小无关。
补偿匝数一般只有几匝,匝数补偿应计算电流低端二次阻抗最大时,和电流高端二次阻抗最小时的误差。
对于高准确度的微型电流传感器匝数补偿即使只补偿1匝,就会补偿过量。
这时可以采用半匝或分数匝补偿。
但是电流传感器的匝数是以通过铁心窗口的封闭回路计算的,是一匝一匝计算的,不存在半匝的情况。
补偿准确度不够高,只适用于0.5级传感器。
要想提高准确度必须采用辅助手段如:双绕组、双铁心等,会导致接线及补偿工艺复杂,调整不方便或根本不可能调整。
用于大规模提高运行中传感器准确度,不太可行。
随着电子技术的发展,对传感器的误差进行有源补偿,可以很大程度上克服无源补偿的缺点。
经过有源电子补偿的传感器具有容量大、电流特性和负载特性平坦、准确度高、补偿工艺简单和安装调整方便等优点。
2 零磁通电流传感器设计2.1 零磁通电流传感器补偿原理电流传感器的误差很大程度上来自激磁电流I0,在I0=0所谓“零磁通”状态下无角差、比差,然而它是理想化的,如无I0,则铁心中无磁通,一、二次能量无法传递,电流传感器不能工作。
但正确选择补偿方法可将铁心中磁通降到极低的近似“零磁通”的状态,使电流传感器达到非常高的准确度[2,3]。
基于双级电流传感器原理[4]设计了零磁通电流传感器补偿结构。
其原理如图1。
图中T1,T2为工作、辅助磁心,且在普通电流传感器基础上增设了检测绕组N0和补偿绕组N3。
检测绕组N0检测T1中磁通密度,动态跟踪I0的变化,为系统提供反馈的电压信号。
单片机系统输出的补偿电流I3通过补偿绕组N3产生激磁动势。
使I0降至极低,达到近似“零磁通”的效果。
图1 零磁通电流传感器原理图Fig1 Principle diagram of the zero flux current transducer 补偿前,由于激磁安匝I0N1的存在,磁动势平衡方程为I1N1+I2N2=I0N1,补偿后,磁动势平衡方程为I1N1+I′2N2+I3N3=I′0N1,式中 I′2=I2+I″2,其中I″2为I3在二次侧感应电流。
调节I3,即调整I″2的大小和相位,使磁动势平衡方程为I′2N2=-I1N1,I3N3=I′0N1.此时N1和N2构成一个无激磁误差的零磁通电流传感器,即I1N1=-I2N2.补偿后的向量见图2。
图2 补偿后磁动势的向量图Fig2 V ector diagram of m agnetomotive force compensated 图中向量均为磁动势。
可见,原角差为δ,补偿后I2N2变为I′2N2,I1N1与I′2N2处于同一直线,角差δ和比差f为0。
2.2 电源的解决由于24h不间断检测,如从高压线路的导线取能,则存在绝缘和电源干扰问题,本系统以太阳能电池对蓄电池浮充的供电。
采用各种降功耗措施后,整机平均功耗电流低于3mA,采用6V,4Ah蓄电池供电,加上8.1V,2W太阳能板后,可保证其常年正常运行。
52第8期 王伟杰等:零磁通电流传感器的研制 2.3 铁心材料的选择铁基纳米晶合金具有以下特性:饱和磁感应强度介于硅钢片和坡莫合金之间,有利于减少仪表的保安系数;高的磁导率,大大提高传感器准确度,减少比差;质量轻、成本低,价格明显低于坡莫合金,而且可在-55～130℃长时间工作。
因此选用铁基纳米晶合金作为传感器的铁心材料。
铁基纳米晶合金与坡莫合金及硅钢片磁性能数据对比如表1[5]。
表1 电流传感器铁心常用软磁材料典型参数比较T ab1 Comp arison of the soft m agnetism m aterial’s typicalp arameters of the current transducer基本参数铁基纳米晶合金坡莫合金(I J85)硅钢片饱和磁感应强度(T)1.250.752.0初始磁导率(μH・m-1)(4～8)×104(5～8)×104～103最大磁导率(μH・m-1)>20×104>20×104>4×104居里温度(℃)570400740密度(g/cm3)7.258.757.65叠片系数>0.70.90.9厚度(mm)0.025～0.0350.150.33 电流传感器实验数据分析利用本文所述的方法制成的传感器,经过实验测得的数据见表2。
表2 比差和角差的实验数据T ab2 Experiment d ata of the ratio errors and ph ase displacements 基本参数数 据额定电流I N(%)102050100120比差f(%)-0.15-0.09-0.010.010.02角差δ(’)11.29.58.06.87.1 从表2可以看出,传感器的准确度达到了国家标准(G B1208-1997)0.2级电流传感器的准确度,完全符合工程对电流传感器的设计要求。
4 结 论运用单片机系统动态跟踪补偿激磁电流,使传感器近似工作在“零磁通”状态,可大幅度提高传感器的准确度和检测范围,具有广阔的应用前景。
参考文献:[1] 赵英俊,杨克冲,杨叔子.非晶态合金传感器技术与应用[M].武汉:华中理工大学出版社,1998,(3):1-13.[2] 宋婀娜,程彦华,张海宁.电流互感器的误差分析及其应用技术[J].煤炭技术,1999,(8):14-16.[3] 单平,罗勇芬,李彦明,等.高精度微电流传感器[J].高电压技术,2002,(5):28-29.[4] 鲍海,艾欣,杨以涵.双级零磁通电流互感器状态反馈控制研究[J].电工技术学报,2000,(4):12-15.[5] 李静,沙玉洲,张有和.测量用电流互感器仪表保安系数的计算和控制[J].变压器,2002,(10):7-9.作者简介:王伟杰(1963-),男,黑龙江省哈尔滨人,副教授,硕士生导师,多年来一直从事测控与传感技术方向的研究。
