基于磁通门原理的高精度电流传感器的研制_吕冰
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
入高精度的电流，改变输入电流，用万用 表测量电流传感器的输出电压 U 0 ，经过试 验得到表1的数据，可以看出灵敏度与理论 计算的误差在0.5%左右，灵敏度和稳定性 较好。 对结果进行最小二次拟合，作出试验 曲线如图8所示。 5.结论 本电流传感器采用环形磁芯作为传 感器的磁敏元件，基于峰差法信号处理电 路，由晶振产生激励方波，有效改善了传 统RC模拟激励电路的温度性能，提高了传 感器输出信号的稳定性，简化了电路设 计，降低了传感器的成本和功耗。试验表 明，本电流传感器的测量精度、温度稳定 性等都达到了预期的设计要求，且成本低 廉、调试方便，有很强的工程实用价值。 本电流传感器的测量精度能够达到1mA，如 何进一步提高传感器的分辨力和降低传感 器生产成本将是下一步的研究工作。
得到磁通门磁芯上的总磁场强度为： H (t ) H 0 H m cos t (1) 式中： H 0 为导线电流在环形磁芯上的 磁场强度； H m 为激励磁场强度幅值； 为 激励场角频率。则线圈中的感应电动势： (2) 式中：N为绕组线圈匝数；S为环形磁 芯的截面积； 为磁芯物质的微分磁导 率。 根 据 磁 饱 和 特 性 ， 当 H0 = 0 时 ， H (t ) H m cos t ，在磁饱和作用下磁感应强度 为： H Hs d H m cos t , B(t ) ' (3) H cos t B , H Hs m a 式中： Ba 为磁化曲线饱和段延长线在 B 轴上的截距，显然， B(t ) 是对时间轴上下 对称的平顶波，根据傅里叶级数分析，它 只含奇次谐波不含偶次谐波。 当外磁场 H 0 ≠0时， H (t ) H 0 H m cos t ， B(t ) 的表达式为： d H 0 d H m cos t , H Hs B(t ) ' (4) ' Hs H H cos t B , H m a 0 这时， B(t ) 成为上下不对称的平顶波， 根据傅里叶级数分析可知，它不仅含有奇 次谐波还含有偶次谐波。而由式(2)可知， E (t ) 和 B(t ) 应含有相似的波形成分，因此， 可以根据 E (t ) 在激励周期内的振幅的上下不 对称来检测外电流所产生的磁场 B0 ，从而 达到测量电流的目的。 整个过程可以概括为：当磁通门式 电流传感器工作时，激励线圈中加载一固 定频率、固定波形的交变电流进行激励， 使磁芯往复磁化达到饱和。在不存在外在 电流所产生的被测磁场时，则检测线圈输 出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐 波，波形正负上下对称。当存在直流外在 被测磁场时，则磁芯中同时存在直流磁场
3.2 磁信号放大处理电路 电路如图7所示，其目的是提取出由外 电流产生的磁场所调制的电信号。由峰值 检波电路、积分滤波电路放大电路和闭环 反馈电阻等组成。1、2号端子分别接磁环 绕组的两根引线，被调制后的电信号从1号 端子经两个对称的检波二极管D1、D2，电 阻R1、R2组成的正负峰差检波电路，基本滤 掉单纯由激励磁场产生的正负上下对称的 信号，得到由外测电流磁场被调制而产生 的脉动的磁通门信号，再经运放U1A和C2等 组成的积分滤波放大电路处理后，得到平 滑的直流磁通门信号。为提高系统的抗干 扰能力，采用反馈电阻将信号回馈到探头 的2号端子，形成深度负反馈电路，使绕组 线圈始终工作在零场状态下。最后由U1B和 D3组成的钳位跟随电路产生最终的输出信 号。 在本电路中，两个峰值检波二极管 D1、D2和电阻R1、R2务必尽量选用一致性 较好的器件，否则难于滤掉单纯由激励磁 场产生的正负上下对称信号，这将严重影 响峰值检波的性能；另外，在滤波积分环 节，尤其要注意积分运放U1A和积分电容 C2的温度特性和噪声特性。设计选用低噪 声、低温漂的TLC2652精密运放，一路作为 积分滤波用，另一路作为电压跟随用。再 者，反馈电阻选用高精度、低温漂电阻， 实际上还负责调节系统的增益即系统的的 灵敏度。在阻值的选择上，即不宜过大也 不宜过小。过大则达不到深度负反馈的目 的，太小则无法满足系统灵敏度要求。 4.实验结果与误差分析 电流传感器主要关心分辨力、灵敏 度、测量范围、温度特性和稳定性等。通 过安捷伦公司的6645A电源给电流传感器通 与PC工作站进行数据的传输，将现场数据 传输到工作站进行数据处理。 导线温度监测装置包括数据处理器、 PT1000温度传感器、取电CT三部分组成。 温度传感器固定在导线的接口处或者薄弱 处，数据处理器将采集到的导线温度和导 线电流通过433MHZ无线通信模块传输给主 机，并且接收主机发送的控制指令，进行 休眠或者修改采集时间和采集间隔。监测 装置内置低温锂电池，能够在-40°保持正 常工作，并且能够从CT中获取电源补充到 锂电池中，维持电池电量充足。 微气象监测单元能够采集风速传感 器、风向传感器、温度传感器、湿度传感 器、光照辐射传感器，用于采集现场的气 象环境数据为动态增容提供参考。苍九二 线#48、#113、#130号杆距离较近，周边环 境相似，能够影响温度、湿度等微气象环 境的因素基本一致，所以在#48号杆安装了 一台微气象监测装置提供周边区域作为参 考。本系统采用分体式结构设计理念，各 监测装置之间互相独立与监测子站通信， 所以微气象监测单元可以与导线温度监测 装置使用同一个主机系统，并且使用主机 系统的电源。 PC工作站后台实现输电线路导线温 度、导线电流，环境温度、湿度、风速、
“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。高导磁率、低矫顽力磁芯的磁滞回 线如图3所示。 当我们在磁环导线中加入电流分量 后，电流所产生的磁场会使原本对称的B-H 磁滞回线会改变中心线变成如图4所示形 状。 假设激励磁场强度为： H m cos t ，就能
》 》 电工研究
基于磁通门原理的高精度电流传感器的研制
宜昌测试技术研究所 吕 冰 陈正想 曹平军
【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
图4 加入直流的高 磁环B-H曲线
图1 磁通门绕组结构 图5 电流传感器系统框图
图7 信号处理电路
图2 普通磁环的B-H曲线
图3 高 磁环的B-H曲线
图6 激励电路
图8 输出电压与测量电半周 期内促使激励场使磁芯提前达到饱和，而 在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因 此，造成激励周期内正负半周不对称，从 而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅 差与被测电流所产生的磁场成正比，因此 可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电 流。 2.2 电流传感器的系统组成 电流传感器的系统框图5所示。电流所 产生的的磁场在磁通门探头内经激励信号 调制后，通过峰值检波和积分滤波电路产 生有用的电压信号，然后经过反馈，使电 流传感器工作在零磁通状态。 3.硬件电路的设计 3.1 激励电路 传感器激励信号对探头和整个系统 都产生很大的影响，一般从频率稳定度、 信号幅值稳定度、相位稳定度、波形稳定 度这几个方面来考虑激励信号的选择。此 外，激励信号频率的高低很大程度影响着 传感器的工作性能，频率太高，则会增大 噪声；频率太低则会降低传感器的灵敏 度，通常，激励最佳频率会在几百到几千 赫兹。综合以上各个因素，选择了频率为 9.6KHZ的方波作为传感器的激励信号，同 正弦波相比，方波可以由石英晶体直接产 生，能比较容易的获得，且有更好的稳定 度，更重要的是方波只有正负电平两个电 压幅值，这比正弦波的电压幅值的稳定度 要好很多。电路如图6所示，由晶振和分 频器CD4006组成。频率源产生稳定的方波 激励信号由耦合电容C11送给探头绕组。另 外，此处选用了高驱动能力、高精度、低 噪声、低温漂的运放TS922，并采用双电源 供电。 (上接第59页)可根据监测要求随时修改便 于对某些特定区域进行密集监测。 监测装置系统构成详见图2：监测装置 结构图。 3.3 变压器智能控制 数据处理软件通过动态增容处理模 型，综合处理导线温度、导线电流、环境 温度、湿度、风速、风向等数据，计算出 输电线路潮流与线路热稳定限额的变化， 通过与线路热稳定温度预警值的比较，分 析线路输送余量，然后将分析结果发送给 智能调节变压器，变压器对比分析数据和 设定的容量限值，动态调整输送能量，实 现改善线路电能质量及输送容量的目的。 4.现场应用情况 2012年11月在新疆乌鲁木齐市10KV苍 九二线#48、#113、#130号杆安装输电线路 导线温度在线监测装置，#48号杆单独安装 微气象监测装置对周边区域的气象环境进 行监测。 监测装置主要由主机装置和导线温 度监测装置两部分组成，主机装置采用不 锈钢支架将主机箱和太阳能板固定在杆塔 上，距离地面4米以上。 主机内部包括数据处理终端、GPRS 数据传输单元和433MHZ短距离无线通信模 块。数据处理终端通过GPRS数据传输单元
基于FPGA的高灵敏度数字磁通门设计
１ Ｔ ２Ｌ Ｂ ＤｆＶ Ｓ ３ １（ ｓ ） １ Ｓ
ＢＩ ４Ｒ Ｆ Ｏ Ａ Ｓ ］ Ｔ Ｅ Ｃ Ｍ（ Ｖ ｓ
图５ Ａ ＤＣ 电 路
臣
Ｅ Ｈ
图 ３ 功率放大电路
２ ２ 滤波 放大 电路 ． 由于磁通 门激励信号频率为 １． ２ Ｈｚ因此 为了提取感 ５ ６ ５ｋ ， 应线 圈端 的二次谐 波 分量 ， 采用 滤波 器设 计 软件 ｆｔ ｏｕｉ ｉｅ ｓｌｔ ｎ ｌｒ ｏ
２３ 转 换 电路 ．
考虑到磁通门感应信号频率较 高 ， 而且 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ输入输 出 口
充足 ， 为了便于 电路驱 动 ， 选取 １ 并行输 出高精 度 Ａ ２位 Ｄ芯片
Ａ ９２ Ｄ ２４搭建 Ａ Ｄ转换 电路 ｊ 电路 图如图 ５所示 ， ， 检测 信号频
励信号 。
４ 实 验及 结 果 分 析
Ｕｌ
ＣＬ Ｋ
ＢＩ ｌ Ｔｌ ＢＩ Ｏ Ｔｌ ＢＩ Ｔ９ ＢＩ ｃ ８ Ｉ ＢＩ Ｔ７ ＢＩ Ｔ６ ＢＩ Ｔ５ ＢＩ Ｔ３ ＢＩ Ｔ２ Ｂｒ １ ｒ ＯＴＲ ＡＤ ２ ４ ９ ２
ＤＲ ＶＤＤ
Ａ ＶＤＤ ＡＶ Ｓ Ｓ Ⅵ ＮＢ Ⅵ ＮＡ ＣＭ Ｌ Ｃ ＡＰ Ｔ Ｃ ＰＢ Ａ Ｖ ＲＥＦ Ｓ ＥＮＳ Ｅ Ａ ＶＳ Ｓ ＡＶＤＤ
图 ４ 带通 滤 波 电路
正弦波 幅度 的数字量信号 ， 以驱动 Ｉ Ａ转换 电路 。在实际应用 ） ／
当 中经 过 对 比实 验 ， 现 方 波 驱 动 效 果 最 佳 ， 此 将 Ｄ Ｓ模 块 发 因 Ｄ 进 行 了相 关 简 化 ， 接 采 用 系 统 时 钟 分 频 得 到 １．２ Ｈ 的 激 直 ５ ６ ５ｋ ｚ
压信号 ， 该直流信号与外界磁场 大小线性 对应 。由于图 １所示 电路 当中， 相敏检波 电路 中凋相 电路很难 保证进 入乘 法器 的 ２ 路信号严格 同相 ， 中设计使用 Ｆ Ｇ 文 Ｐ Ａ代替 图 １中虚线框 部分 ，
基于四次谐波选择法的磁通门传感器分析
磁通 门传感器 （ 简称磁通 门） 是一种用 于测量
的， 在交变磁场的饱和激励下 ， 外磁场对输出信号产 生某些非对称的调制作用 ， 磁通 门测磁法的物理实 质是通过检测输 出信号中的这些非对称的变化来测 量弱 磁场 的 ［２。被 测磁 场 可 以通 过检 测 输 出信 号 １］ －
迟滞 时 间差 而得 到 ［ ． 了解 决 线 圈 匝数 增 大 而 ３ 为 ］
第２ ４卷 第 １ ０期
２１ ０ １年 １ ０月
传 感 技 术 学 报
ＣＨＩ Ｅ Ｅ Ｊ ＲＮ Ｅ Ｓ ＲＳＡＮＤ Ａ Ｔ Ｔ Ｓ Ｎ Ｓ ＯＵ ＡＬ ＯＦ Ｓ Ｎ Ｏ Ｃ ＵＡ ＯＲ
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ． Ｏ １２ １ ０ｃ ． ０１ ｔ２ １
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｎｄ Ｈ ａ ｍ ｏ ｉ ｕ ｇ ｔ ａ ｎ ｔ ｍ ｅ ｅ ａ ｙ ｉ ｆ４ ｒ ｎ ｃ Ｆｌ ｘ ａ ｅ Ｍ ｇ ｅ ｏ ｔ ｒ
２ １ 灵敏 度 分析 比较 ． 磁滞 回线 近似为 三段折 线 ＿ 不考 虑矫 顽力 时 ， １ ］
二次谐波灵敏度在激励磁场幅值与与饱和磁场 比值 为 时达 到最 大。考 虑矫顽 力后磁滞 回线 近似为 图 ｌ图 ２为二次谐波灵敏度 （ ２ 与 比值 Ｙ的关 ， ｍ＝ ） 系， 曲线 ａｂ Ｃｄ ｅｆ 应 比值 分 别 为 １０ 、． 、 、 、、 、、 对 ．５ １２
以及飞机、 卫星、 船舰和车辆导航等许多领域。在各 种空间计划中． 磁场测量往往是整个空间计划中的
一
个重要组成部分 ． 国际上 已将高精度磁通 门磁力
计作为荷载（ ｌ ｇｔ Ｓｎｏ Ｍ ｇｅ ｍ ｔ ，Ｇ 在 Ｆ ｘａ ｅｓｒ ａｎｔ ｅ ｒＦ Ｍ） ｕ ｅ ｏ ｅ
空 间卫星 上搭 载 。
莱姆推出新品IN 1000-S,拓宽了高精度传感器的量程
莱姆推出新品IN 1000-S，拓宽了高精度传感器的量程
1000A的DC、AC或脉冲电流
-40 ~ +85ºC）
极低的零漂（全温度范围内达19.5ppm）
优异的线性度（全温度范围内达3ppm）
极低噪声与高精度（全温度范围），得益于莱姆专利磁通门技术
莱姆拓宽高精度传感器的量程，推出新品IN 1000-S，无插入损耗，可隔离测量1000A的直流、交流以及脉冲电流。
莱姆完善磁通门技术，去年已推出此系列的第一个产品2000A。
传统1000A高精度传感器温度范围通常+10到+40或+50°C，IN 1000-S拓宽其温度范围至-40到+85°C，使其可用于更宽的应用领域，而不仅限于实验室，这些应用包括：传统工业应用测试仪、医疗设备（例如，MRI、质子疗法等）、高精度电机控制器以及计量设备。
莱姆采用专利创新技术于此新型传感器上，在数字领域中处理最大信号，新型磁通门技术架构消除磁通门驱动频率纹波，从而得到结构紧凑、宽温度范围内保持高精度以及相比上一代更低噪声水平的传感器。
在数字领域中处理信号可以完全免除模拟转数字处理之后的温度效应、干扰以及供电电压变化所产生的影响，改善了零点与零漂。
通过使用DSP数字信号处理器降低了固定频率下磁通门驱动信号中的干扰或纹波，同时降低了高频谐波。
剩余的干扰可通过纹波补偿线圈消除，此线圈的幅度与相位可以通过各个传感器的校准调节。
校准之后，全温度范围-40 OC到85 OC内，全量程范围内的传感器输出，其剩余纹波峰峰值低于34ppm。
这些创新使得IN 1000-S在拓宽的温度范围内具有优异的性能表现：全温度范围内极高的精度，优于3ppm的线性度以及19.5ppm的低零漂。
三端式磁通门传感器接口ASIC设计
基于dsPIC单片机的全数字磁通门传感器设计
现代电子技术Modern Electronics TechniqueApr.2022Vol.45No.82022年4月15日第45卷第8期0引言磁通门传感器因体积小、重量轻、精度高并具有较大的测量范围等特点被广泛应用于弱磁矢量测量。
传统的闭环式模拟磁通门传感器处理电路一般由放大电路、滤波电路、相敏整流电路、积分电路、反馈电路这五部分组成，但是模拟磁通门信号的处理电路无法克服固有的抗干扰能力差的缺点[1]。
另外，模拟信号处理电路设计复杂，在进行电路调试时，耗时耗力，不仅提高系统的成本，而且难于集成、不易批量生产，仅适用于需求量小的场所[1⁃2]。
为了克服传统模拟磁通门传感器存在的不足，国内DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.08.010引用格式：高嵩，袁春梅，刘思念.基于dsPIC 单片机的全数字磁通门传感器设计[J].现代电子技术，2022，45（8）：51⁃56.基于dsPIC 单片机的全数字磁通门传感器设计高嵩，袁春梅，刘思念（成都理工大学，四川成都610059）摘要：针对传统模拟磁通门传感器的性能易受温度影响和电磁干扰、电路复杂难于集成、成本较高等问题，文中设计一种全数字磁通门传感器。
首先使用单片机内部多路A/D 对磁通门探头输出信号直接进行数字化处理；然后通过单片机设计相关算法，实现对采样后的数字信号进行放大、相敏整流、低通滤波、积分、PID 闭环控制等功能。
积分后的信号其中一路通过串口将输出量传送给计算机，另一路通过D/A 控制反馈线圈的补偿信号来构成闭环系统，以提高系统的稳定性。
最后，采用工业级dsPIC 单片机设计一种经济型三轴一体化全数字磁通门传感器。
该全数字磁通门传感器的测量范围达到±60000nT ，线性度为10-5，分辨力为36nT 。
测试结果表明，文中设计的传感器可替代传统模拟磁通门传感器而用于需求量大的消费级产品。
关键词：全数字磁通门传感器；dsPIC 单片机；信号提取；数字信号控制；数字化处理；电路设计；系统测试中图分类号：TN722⁃34；P631.33文献标识码：A文章编号：1004⁃373X （2022）08⁃0051⁃06Design of full⁃digital fluxgate sensor based on dsPIC single chip microcomputerGAO Song ，YUAN Chunmei ，LIU Sinian（Chengdu University of Technology ，Chengdu 610059，China ）Abstract ：In allusion to the problems that the traditional analog fluxgate sensor ′s performance is easily affected by temperature and electromagnetic interference ，its circuit is complex ，its integration is difficult ，and its cost is high ，a full ⁃digital fluxgate sensor is designed.The internal multi⁃channel A/D of the single⁃chip microcomputer is used to directly digitize the output signal of the fluxgate probe ，and then the related algorithms are designed by means of the single⁃chip microcomputer to realize the functions of amplification ，phase⁃sensitive rectification ，low⁃pass filtering ，integration and PIDclosed⁃loop control of the sampled digital signal.One of the integrated signals can be used to transmit the output to the computer by means of the serial port ，and another can be used to form the closed loop system by using D /A to control the compensation signal of the feedback coil ，so as to improve the system stability.An economical all ⁃digital fluxgate sensor with three ⁃axis integration isdesigned by means of industrial dsPIC single chip microcomputer.The measuring ranges of the all⁃digital fluxgate sensor is ±60000nT ，its linearity is 10-5，and its resolution is 36nT.The testing results show that the designed sensor can replace thetraditional analog fluxgate sensor to be used for consumer products with large demand quantity.Keywords ：full⁃digital fluxgate sensor ；dsPIC single chip microcontroller ；signal extraction ；digital signal control ；digitalprocessing ；circuit design ；system testing收稿日期：2021⁃09⁃15修回日期：2021⁃10⁃18基金项目：国家重点研发计划项目：基于微型磁通门的井中高温小直径三分量磁场传感器的研制（2018YFC060330104）；“863”计划重点项目：长周期分布式大地电磁观测系统（2014AA06A612）51现代电子技术2022年第45卷外研究机构提出将模拟磁通门传感器处理电路进行数字化处理[3]。