一种电流信号检测装置的设计

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科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald82①基金项目：2018年国家级大学生创新创业训练项目(项目编号：201810606002);2018年大学生创新创业训练计划项目（项目 编号：201810606005）;2017年广西区高等教育本科教学改革工程项目（项目编号：2017JGB358）。 作者简介：莫海林（1998—），女，汉族，广西岑溪人，本科，研究方向：电子电路设计。 杨桂静（1997—），女，汉族，广西钦州人，本科，研究方向：电子电路设计。 通讯作者：甘永进（1990—），男，汉族，广西贵港人，硕士，助教，研究方向：信号检测与处理，E-mail:736119226@qq.com。

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2019.01.082一种电流信号检测装置的设计①

甘永进* 莫海林 杨桂静 吴学思 何彩翡 何绮雯(玉林师范学院物理与电信工程学院 广西玉林 537000)

摘 要：传统的电磁式电流检测装置，因其结构存在较多缺点，无法满足当前电力系统发展要求。基于此，设计一种电流检测装置，可达到如下指标：（1）设计的功率放大电路，满足当输入正弦信号频率范围为50Hz-1.2kHz时，通过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，且电流信号波形无失真；（2）以漆包线绕制线圈制作电流传感器获取电流信号，设计电流信号检测分析电路，测量并显示电流信号的峰峰值及频率；（3）被测正弦电流峰峰值范围为10mA-1A，电流测量误差小于5%，频率测量误差小于1%。关键词：电流检测 放大电路 电流传感器 精度中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)01(a)-0082-03

Absrtact: The traditional electromagnetic current detection device can not meet the current power system development requirements because of its many shortcomings in structure. Based on this, a current detection device is designed, which can achieve the following targets: (1) the designed power amplifier circuit meets the requirements that when the input sinusoidal signal frequency range is 50 Hz-1.2 kHz, the peak value of current through 10_load resistance is not less than 1A, and the waveform of current signal is undistorted; (2) the current sensor is made by enameled wire winding coil. The instrument acquires current signal, designs current signal detection and analysis circuit, and measures and displays the peak value and frequency of current signal; (3) The peak value range of measured sinusoidal current is 10mA-1A, the current measurement accuracy is less than 5%, and the frequency measurement accuracy is less than 1%.Key Words：Current sensor；Single chip microcomputer；Amplifier circuit；Integrator circuit；DC voltage Acquisition

电流传感器，是一种电流检测装置，能检测到被测电流的信息，并将检测到的信号，根据其中的规律变换，通过一定的变换方式，使其成为符合一定标准的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求[1]。本文使用电磁式电流互感器进行设计，可避免霍尔电流传感器与电流直接接触，通过电磁感应实现电隔离式地测量各种波形的电流特性，安全高效可靠，通过DSP28335即可采集检测到电流信号。运用电流传感器设计制作检测电流信号的装置，体积小，重量轻，功耗小，检测结果可靠，操作简单。电流信号检测装置的核心部分是霍尔电流传感器，在本文中，功率放大电路驱动任意波形发生器产生的信号，功放输出接入10Ω电阻负载，形成电流回路，使回路穿过罗氏线圈，从而实现非接触式感应的电流信号检测，最后测量并显示环路电流信号的电流峰峰值及频率。1 总体方案设计 电流信号检测装置设计如下：检测装置核心部分是一种空心环形的罗氏线圈，直接套在被测量的导体上。导体中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变化成比例的交流电压信号[2]。通过采用一个专用的积分放大器将线圈输出的电压信号进行积分可以得到另一个交流电压信号，这个电压信号可以准确地还原被测量电流信号的波形，即可实现对电流信号的测量显示。在本文中使用圆形磁芯与铜丝制作霍尔电流传感器，磁芯前是利用OPA544芯片设计功率放大器，两片OPA842电路级联成宽带放大器，实现增益可调，以满足输出电流峰峰值大于1A的要求。系统方案设计如图1所示，主要由五个模块组成：前置放大电路、后级功率放大电路、电流传感器模块、积分电路、DSP28335采集显示模块组成。其中，为增大输出电流，提升放大器的带负载能力，两片OPA842级联的前级放大电路和OPA544功率放大电路进行电流信号放大，实现通过10Ω负载电阻的电流峰峰值大于1A，输出电流信号无明显失真。普通的色环电阻在1A电流流过时易被烧坏，故实验中使用抗压能力较强的精密电阻作为负载；另外，为解决功率放大器自激问题，系统采用增益可控放大电路实时控制，防止输出电流过大；在电源处放置钽电容，以抑制噪声；用盒子把整个电路与外界隔离，减少外界信号的干扰，提高该电流信号检测装置的稳定性。放大的信号经罗科技创新导报2019 NO.01Science and Technology Innovation Herald工业技术

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald83氏线圈感应后，由DSP28335采集并显示信号频率和电流峰峰值。1.1 功率放大电路设计本电路使用两片性能稳定的OPA842芯片与一片OPA544芯片进行级联放大，如图2所示。该电路驱动负载能力较强，能够驱动10Ω大小的负载，实现1A电流峰峰值输出。该设计外围电路简单，满足设计要求，性能稳定。1.2 电流信号传感器模块设计在设计霍尔电流传感器模块时，需使用能够感应出电流的罗氏线圈，在整个电路的最后级联上积分电路对最终的输出电压进行处理，实验中需要采用由半导体材料制成的锰锌铁磁芯磁电转换器件。罗氏线圈是一种由各种氧化铁等混合物组成的空心线圈，分为矩形和环形两种，本文使用的是环形磁芯。绕制好的线圈直接套在被测量的导体上可测量交流电流信号。实验中，要保证导体在线圈的中央圆心处，在绕制线圈时，所绕制的铜丝要尽量紧密且不能交叉，从而减少误差。霍尔电流传感器按照霍尔效应原理制成，根据安培定律可知，当被测电流沿罗氏线圈的中心轴线通过线圈时，在该载流导体周围就会产生与之成正比的电流磁场，通过霍尔磁感器件即可测量该电流的磁场，实现电流的非接触测量。电流传感器经过电－磁－电的绝缘隔离转换，通过测量霍尔电势的大小可间接实现

图1 总体方案设计图图2 功率放大电路设计图3 积分电路的设计图4 软件设计流程图表1 线圈参数表2 测量数据参数值线圈内径1.5cm

线圈外径3.0cm线圈宽度1.0cm线圈匝数250匝互感系数3.17E-07

测量参数输入1.2KHz输入200Hz输入信号电压峰峰值229.1 mV146.1 mV环路负载电压峰峰值11V7V被测环路电流真值1.1V0.7V积分器输出电压峰峰值1520 mV944 mV计算电流峰峰值1096mA689 mA测量误差%-0.32-1.46科技创新导报2019 NO.01Science and Technology Innovation Herald工业技术

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald84测量载流导体电流大小。当线圈均匀绕制，且满足线圈截面积处处相等，截面各点磁感应强变相同的情况下,线圈产生的感应电动势如式（1）所示。e(t)=-Mdi1/dt (1)其中，M为线圈与载流导线之间互感的理论计算值。为线圈真空磁导率；N为绕组匝数；h表示线圈骨架高度；a表示骨架外径；b表示骨架内径；i表示载流导线中的电流大小[3]。一般来说所绕制的线圈匝数不能太少，至少需大于250匝左右。1.3 积分电路设计积分是电流信号检测装置实现的一个非常重要的环节，若想准确还原被测电流，须在电磁感应装置后面加一个反相积分电路。因为电流信号的电压经罗氏线圈感应后输出的电压较小，为放大该感应电压，须在积分器前面加一放大电路。本文设计的积分电路如3所示。2 软件设计本设计以DSP28335作为主控，使用TLC2543模块进行ADC采样。TLC2543将收集到的数据存储在单片机里，并对采集到的信号的频率、幅值进行FFT分析，换算出被测信号的电流的峰峰值和频率。最后在LCD屏上显示测量结果。软件程序设计流程如图4所示。3 实验部分输入微弱电信号经功率放大电路进行放大，经过电磁互感得到电流信号，ADC采样后进行傅里叶分析，把时域信号转为频域信号，得频率与幅值部分数据如表1所示。当电流信号检测装置输入信号为1.2kHz时，使用纠正系数：4.00E+03；当电流信号检测装置输入信号为200hz时，使用纠正系数：3.95E+03。实际测量数据如表2所示。4 结语本设计是基于DSP28335进行电流信号测量显示，输入信号经过功率放大后接入负载电路，然后由电流互感器感应，经过积分运算放大，通过AD 转换模块接到单片机，最后运用改进型的 FFT 算法处理，将检测到的电流幅度和频率等信息通过DSP28335采集分析，最后在液晶屏详细地显示出来，从而实现电流信号的检测及显示。本设计实现了较高精度检测电流的信号，并详细显示检测到的电流幅度和频率等信息。本设计功能较完善，操作稳定且便携，设计更加实用化，值得推广应用。参考文献[1] 苏晨.基于单片机的数字式通电延时时间继电器设计[J].电子技术与软件工程，2018(18)：232-233.[2] 卢玉飞.基于磁流体的电流传感器的研究[D].燕山大学2007.[3] 邹积岩，段雄英，张铁.罗柯夫斯基线圈测量电流的仿真计算及实验研究[J].电工科技学报，2001（1）：81-84.