基于半波激勵的磁調制傳感器設計與驗證

王隆偉，王 鮮，馮則坤

（華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074）

基于半波激勵的磁調制傳感器設計與驗證

王隆偉，王 鮮*，馮則坤

（華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074）

基于磁調制傳感器的工作原理，創新性的提出了通過采用半波激勵信號簡化設計雙磁芯磁調制傳感器的方法。傳統磁調制傳感器是在環形磁芯一次繞組中通以完整的方波、正弦波或鋸齒波作為激勵信號，然后提取磁芯二次繞組中感應信號的二次諧波來對被測直流信號進行檢測的，此二次諧波反映被測直流信號的大小與方向。筆者通過實驗發現，若通以半波激勵，可反映被測直流信號的諧波由二次諧波變為一次諧波，此時相敏檢波電路參考信號無需倍頻，因而在器件中可省去倍頻電路。分別采用方波、正弦波和鋸齒波及其相應的半波作為激勵信號進行了實驗分析，結果表明，半波激勵可以獲得更為理想的檢測波形，能更好地反映被測電流的大小，提高傳感器的靈敏度。

磁調制；二次諧波；一次諧波；半波激勵

在電子電力設備中，時常需要對漏電流等微弱直流電流（多為mA級）進行檢測，其檢測方法主要包括小電阻取樣、霍爾電流檢測法以及磁調制法等［1］。其中電阻取樣方法需要將采樣電阻接入電路回路中，對原有電路會產生一定的干擾；霍爾電流檢測法利用霍爾效應實現直流電流檢測，但其受溫度變化影響大，產生干擾大，測量弱電流靈敏度比較低［2］；磁調制電流檢測法具有檢測的弱電流范圍寬、靈敏度高、高線性度等優點，具有良好的應用前景。傳統磁調制傳感器多使用倍頻磁調制方法，此方法是提取傳感器磁芯探頭中檢測端信號的二次諧波對被測直流信號進行檢測，此二次諧波可以反映被測直流信號的大小以及方向，對此二次諧波進行直流整流，然后輸出直流信號。此方法之所以稱之為倍頻磁調制法，是由于在對二次諧波進行整流鑒相的過程中，需要一個參考信號，此參考信號通常情況下由激勵源信號通過一個倍頻電路產生，以達到整流和鑒相的目的，因此稱為倍頻磁調制法。但使用此方法的磁調制直流傳感器的信號處理電路相對復雜，其主要信號處理電路包括：信號放大電路、帶通濾波器、倍頻電路、相敏檢波器以及低通濾波器等。同時傳感器的信號干擾比較大，因而有必要對磁調制傳感器的信號處理電路進行優化設計，以進一步改善其應用特性［3-16］。

本文針對磁調制直流電流傳感器的原理進行數學分析，創新性的提出并實驗驗證了一種電路簡化設計方法。即通過改變激勵源信號使檢測信號由二次諧波轉變為一次諧波，而方法是簡單的改變激勵源信號，將以往使用的激勵源信號如：方波、正弦波、鋸齒波等激勵源信號，由完整的波形變為半方波、半正弦波、半鋸齒波波形，將這些信號波作為激勵信號驅動磁調制傳感器，可以達到使檢測信號由二次諧波轉變為一次諧波，因此在信號處理電路中可以省去倍頻電路，簡化器件的信號處理電路，同時可消除倍頻電路對器件和激勵信號源的干擾，提高了器件的靈敏度。

1 典型磁調制傳感器的工作原理分析

圖1為傳統磁調制傳感器的工作原理圖。在一個環形磁芯（一般采用高磁導率、高矩形比和低矯頑力的鐵鎳合金磁芯）上分別繞有一、二次繞組，其中一次繞組W1為激勵繞組，繞線N1匝；二次繞組W2為檢測繞組，繞線N2匝。磁環的截面積為S，磁導率為μ，內外徑分別為r1和r2，磁環的截面邊長為a（實驗中使用磁環的截面為正方形），I1為穿過磁芯中心的被測電流。

圖1 磁調制傳感器的工作原理

在一次繞組W1中通以交變激勵方波電流信號I2，當被測電流I1為0時，檢測繞組中輸出信號只含有奇次諧波；而當被測電流I1≠0時，根據周期函數的傅立葉級數變換，對方波進行傅立葉變換得到：

式中：A為激勵方波的振幅，ω為角頻率，T為周期。

則產生磁場強度He可表示為：

H1為被測電流I1在磁芯中產生的磁場強度，當激勵電流從0開始增加時，磁芯工作在線性區，即圖2中-Hs＜H＜Hs時，可以認為磁芯的磁導率μ是常數，如圖2所示。

圖2 磁導率隨磁場的變化曲線

圖3可以看出，方波激勵下對應的磁導率波形，磁導率的函數為周期為T/2的偶函數，其頻率為2ω。對其進行傅立葉變換得到：

u1為直流分量。

圖3 方波激勵下對應的磁導率波形

由式（2）和式（3）可得到檢測繞組W2的感應電壓：

2 半方波激勵下的磁調制傳感器的數學分析

實際應用中，對（5）式中的二次諧波進行提取，其頻率為激勵頻率的兩倍，注意到提取二次諧波后需要進行相敏檢波，而相敏檢波的參考信號必須與被檢測信號頻率同頻，因此需要建立一個二倍頻電路來產生二倍頻率參考信號；該倍頻電路不但會增加傳感器整體的功耗，并且會對檢測信號產生一定的干擾。筆者通過實驗發現，改變激勵信號的波形可有效簡化這一部分電路，方法是將激勵方波信號通過一個二極管，使激勵信號變為半方波信號（如圖4所示），可將二次繞組端需要提取的檢測信號由二次諧波變為一次諧波，省去了倍頻電路。

圖4 半方波激勵信號的波形

對圖4所示的激勵波形進行傅立葉變換：

則磁芯的磁場強度為：

再由圖4分析磁芯的磁導率變化波形，磁導率在半波激勵下的波形如圖5所示。此時的磁導率波形的角頻率為ω，周期為T，與激勵信號同頻。對其進行傅立葉變換：

圖5 半方波激勵下的磁導率波形

在實際應用中，磁調制傳感器通常使用雙磁芯差動結構，如圖6所示。在此結構下，式（13）的第一項將被雙環抵消掉，第二項的大小變為2倍，提取第二項的一次諧波即可得到可以反映被測電流大小和方向的信號。因而，采用半方波激勵可以簡化磁調制傳感器的結構，且對原有電路的其他部分不需要進行大的改動。

圖6 實際應用的雙磁芯差動結構磁調制傳感器工作原理

3 實驗驗證

基于上述數學計算分析，采用圖6所示的雙磁芯差動結構磁調制傳感器進行實驗驗證。在激勵端分別通入方波（圖7（a））與濾去方波正邊的半方波（圖7（c）），再將檢測繞組感應電壓通入相應的帶通濾波器后使用示波器分別觀察其波形。實驗中使用的激勵頻率都為10.00 kHz，幅值為6.5 V，通入的電流為3.8 mA，得到實驗結果如圖7所示。在方波激勵下（圖7（a）），得到的檢測繞組20 kHz濾波后的波形（圖7（b））頻率為20 kHz，幅值為85 mV（最大點）；在半方波激勵下（圖7（c）），得到的檢測繞組10 kHz濾波后的波形如圖7（d）所示，其頻率為10.00 kHz，幅值為160 mV（最大點）。比較圖7（b）與圖7（d）的波形可以看出，方波激勵下檢測波形（圖7（b））并不規則，主要原因在于實際方波激勵無法達到真正的理想方波波形，存在一定的不對稱，其占空比與幅值都不可能完全相同；而半方波激勵下的波形（圖7（d））呈現較為理想的正弦波，且幅值比前者大一倍多，分析其原因為，半方波波形較方波更為簡單，波形越簡單則其在電路中產生的干擾勢必也會更小。因此，采用半方波激勵，可以獲得比方波激勵更為理想的檢測波形，可以更好地反映被測電流的大小，提高了傳感器的靈敏度。

本文還對其他激勵信號，如正弦波和鋸齒波分別進行了半波變化后作為激勵源進行實驗，并獲得了相應的檢測信號（實驗中所使用的激勵源信號頻率均為10 kHz），如圖8與圖9所示，圖8（a）為半正弦波激勵信號作為傳感器激勵信號，可以得到頻率為10 kHZ反映被測直流信號大小和方向的一次諧波，圖9（a）為半鋸齒波激勵信號作為傳感器激勵信號，同樣可以得到頻率為10 kHZ反映被測直流信號大小和方向的一次諧波。實驗結果表明，采用半正弦波和半鋸齒波激勵均可獲得較為理想的一次諧波檢測信號。

圖7 方波與半方波激勵下實驗檢測波形圖

圖8 半正弦波及其檢測信號

圖9 半鋸齒波及其檢測信號

最后，將此一次諧波進行整形放大后輸出，經過測量可以得到的最小額定輸入電流為2 mA，額定輸出5 V，對比現有通用的額定輸出電壓為5 V的直流漏電流傳感器的最小額定輸入電流，得到表1。從表1可以看到傳感器靈敏度有所提高。

表1 最小額定輸入電流比較

5 結論

本文基于磁調制傳感器的工作原理，分析了方波與半方波激勵下檢測信號的波形數學表達式，提出了采用半波激勵簡化設計雙磁芯差動結構磁調制傳感器電路的方法，并分別采用方波、正弦波和鋸齒波及其對應半波作為激勵信號進行了實驗驗證。結果表明，采用半波激勵可獲得頻率為一次諧波的檢測信號，由于對一次諧波進行相敏檢波時，參考信號不需要做倍頻處理，所以傳感器的信號處理電路結構更為簡單，實現了優化設計，且可以減少倍頻電路產生的信號干擾，提高了器件的靈敏度。

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王隆偉（1990-），男，華中科技大學光學與電子信息學院研究生，主要研究方向為電流傳感器，m201371989@hust.edu.cn；

王 鮮（1978-），男，博士，現為華中科技大學光學與電子信息學院副教授，主要研究方向為微波磁學與磁電子技術，wangx@hust.edu.cn。

A Simplified Design and Experimental Verification of the Magnetic Modulation Sensor Based on Half Wave Excitation Signals

WANG Longwei，WANG Xian*，FENG Zekun
（School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

On the basis of the working principle of magnetic modulation sensor，we proposed a method to simplify the magnetic modulation sensor with dual core differential structure by using a half wave excitation signal.Com?pared to those using full wave excitation signal，the signal in test port changes from second harmonic into fundamen?tal harmonic when using a half wave excitation signal.As a result，frequency multiplication circuit can be omitted since the

ignal frequency does not need to be doubled in Phase-sensitive detection circuit in this case.To verify the above design，full wave of square wave，sine wave，sawtooth wave and their half waves were used as the ex?citation signal in the experiment，respectively.The results show that all the half wave excitation signals can realize more symmetrical and ideal detection wave in comparison with the corresponding full wave signals.Therefore，half wave excitation is more conductive to measure the current and simultaneously increase the sensitivity of the magnet?ic modulation sensor.

magnetic modulation；second harmonic；fundamental harmonic；Half wave excitation signal

TP212.1

A

1004-1699（2015)10-1448-06

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.005

2015-04-17 修改日期：2015-07-28