脈沖電流光纖傳感器的原理及設計

安徽中澳科技職業學院，安徽合肥 230041

一、引言

檢測電流最通用的方法有電流互感器、霍爾傳感器、串聯電阻檢測法和光學電流傳感器[1-3]。電流互感器由于體積大、檢測頻率低不適用于脈沖電流的檢測，電流互感器多用于工頻交流的測量，霍爾傳感器和光學電流傳感器由于其自身的特點，得到了廣泛的應用[4]。

但利用霍爾傳感器檢測電流存在以下幾個缺點：

① 霍爾傳感器輸出電壓受限于傳感器與被測信號之間的距離，不適用于空間受限領域的應用；

② 霍爾傳感器和被檢測電路之間是通過磁場耦合實現電流檢測的,這種無隔離的直接電磁耦合一方面電磁輻射會影響周圍器件的正常工作，另外也會將外界電磁干擾耦合到系統中，嚴重影響系統的抗電磁干擾能力和正常工作性能；

③ 霍爾傳感器不能同時檢測小電流信號和大電流信號，也不能同時檢測直流和高頻脈沖電流；

④ 霍爾傳感器在檢測小電流和大電流時不能同時滿足電流檢測的精度和分辨率指標要求。

光學電流傳感器檢測電流的原理是利用法拉第磁光效應，通過測量光波在通過磁光材料時偏振面受電流產生磁場的作用而發生偏轉來確定電流的大小[5-6]。光學電流傳感器一定程度上克服了霍爾傳感器的不足，但同樣存在一些不足，體現在以下幾方面：

① 光學電流傳感器檢測電流的準確度和穩定性不易控制，易受溫度和振動影響；

② 光學電流傳感器檢測電流的大小與磁光材料的偏轉角大小有關，磁光材料偏轉角的精確度取決于工藝加工，實際費用相當昂貴；

③ 光學電流傳感器的體積很難做到很小，不適用于雷達發射機空間受限的應用領域。

脈沖電流光纖傳感器研制的目的是用于雷達發射機行波管收集極脈沖電流信號的檢測和傳輸。本文提供了一種既能檢測小電流又能檢測大電流，既能檢測直流電流又能檢測高頻脈沖電流，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強、安裝調試簡單方便等優點的脈沖電流信號檢測、傳輸方法。

二、工作原理

脈沖電流光纖傳感器(以下簡稱傳感器)設計的總體思路是將檢測電阻串聯到電流回路中，通過檢測電阻兩側的電壓達到檢測電流的目的，通過分段檢測技術實現寬范圍變頻電流的檢測。脈沖電流光纖傳感器的原理結構如圖1所示。

如圖1所示，傳感器對脈沖電流(包括低頻直流信號和高頻脈沖信號)的檢測首先是通過端子a、a1，將待測脈沖電流Isense送入發射端的電流檢測單元，電流檢測單元包括了檢測電阻和電子開關等電路，檢測電阻將脈沖電流信號轉換為脈沖電壓信號，電子開關的功能是實現自動分段檢測。模數轉換單元負責對電壓信號進行采集，信號處理單元則負責將采集后的信號進行誤差控制、編碼和校驗。而電光轉換單元的作用之一是將處理后的電信號轉換為光信號以便通過光纖實現傳輸，另外一個作用是對激光器進行溫度補償。

接收端主要包括光電轉換單元、信號處理單元、數模轉換單元和信號調理單元。光電轉換單元負責將接收到的光信號轉換為電信號，信號處理單元則負責對電信號進行解碼、校驗；數模轉換單元的輸出為電壓信號，該電壓信號送給信號調理單元進行放大處理，信號調理單元將放大后的電壓信號通過端子c1送給客戶端監控室供其進行監控。

在圖1中，電流轉換單元是實現電流檢測的前提，如果用一個電阻檢測電流，很難同時兼顧電阻功率和檢測信號幅值過小的問題。如選用較小電阻如10mΩ進行電流檢測，則對于0.1A電流折算成電壓僅有1mV，如此小的電壓信號很難檢測到，即便檢測到也很難保證其精度。如選用較大電阻如選用100mΩ電阻進行電流檢測，則對于10A電流折算成功率為10W，這已遠遠超出檢測電阻所允許的最大功率。

因此，本設計采用了量程自適應分段電流檢測技術，分段電流檢測技術的總體思路是將0.1A～10A電流分成0.1A～1A小電流段和1A～10A大電流段，將2個不同電阻值的檢測電阻串聯到電路中，通過電子開關的切換實現分段檢測電流的目的。對于0.1A～1A小電流段選用較大阻值的檢測電阻，目的在于得到較大的檢測信號以便后續處理；對于1A～10A大電流段，考慮電阻功率受限，選用較小阻值的檢測電阻。通過自動分段電流檢測既解決了小電流弱信號難以檢測的難題，又兼顧了大電流檢測電阻受功率限制的問題。

三、設計與實現

1、量程自適應分段電流檢測電路設計

量程自適應分段電流檢測設計如圖2所示。

在圖2中，K0、K1、K2為電子開關，K1與K2為互補導通，K0是備用開關，作用是在K1、K2切換瞬間提供導通通路，防止在切換瞬間出現斷路影響行波管正常工作。通過程序設計控制K0、K1、K2的開通和關斷，默認情況下K2閉合、K1斷開，檢測1A～10A大電流，當檢測到的電流小于1A(1A對應0.2V)時，則斷開K2、閉合K1，切換到檢測0.1A～1A小電流段。反之，在檢測小電流段期間，若檢測到的信號大于1A(1A對應2V)，則閉合K2、斷開K1，切換到檢測1A～10A大電流段。以此循環，通過識別檢測信號的大小來自動切換電子開關，以此實現了分段檢測電流的目的。

基于圖2所示分段電流檢測原理設計的電路如圖3所示。

圖3所示電路包括了電子開關及保護電路、驅動電路和電流檢測電路。電子開關選用的是Vishay公司生產的高速Mosfet芯片Si7860。Si7860是SO-8封裝，是大電流高速電子開關管，其導通閾值電壓為3V，漏極可承受18A電流，開關速度僅為10ns。單片機輸出控制信號的驅動能力約為5mA，無法直接驅動Mosfet的開通和關斷，為了保證Mosfet的可靠開通和關斷，設計了Mosfet驅動電路。Mosfet驅動電路選用的芯片是MAX628，MAX628具有驅動速度快、驅動能力強、閾值電壓低等優點，其上升時間、延時時間均只有25ns，驅動能力高達2A，高電平閾值為2.4V，單片機控制信號高電平是3.3V，可直接與MAX628連接控制Si7860的通斷。電流檢測電路的作用是檢測流經電阻兩側的電壓并進行信號處理和放大, 選用的是MAX9920電流檢測專用芯片，通過調節MAX9920外接電位器阻值的大小實現了檢測信號的放大。

2、程序設計

脈沖電流光纖傳感器既要采集直流信號，又要采集脈沖交流信號，為此，本設計采用了交直流分離采集技術實現了直流信號和脈沖交流信號的采集。交直流分離采集技術程序流程圖如圖4所示。

圖4所示信號采集程序流程圖，既要采集直流信號又有采集脈沖交流信號，對于直流信號的采集首先將信號變換到0.2V～2V的范圍內，之后便可利用模數轉換器對其進行直接轉換。而對于脈沖交流信號的采集，因其頻率可變且變化范圍較寬(1kHz～100kHz)，不能直接采集，首先通過比較器將脈沖信號與給定電平進行比較，得到與脈沖信號反相的觸發信號，觸發信號的下降沿對模數轉換器進行觸發，進而啟動模數轉換器實現對脈沖信號的采集。在默認情況下，采集的是直流信號，如采集的是脈沖信號則觸發信號有效，實現對脈沖信號的采集。采集之后的數據經編碼、校正、校驗后打包成數字信號，通過電光轉換變成光信號經光纖進行傳輸，這樣在技術上實現了對寬范圍變頻信號的采集，保證了通過一根光纖實現對直流信號和脈沖交流信號的傳輸。

傳感器要求采集DC～100kHz的脈沖信號且對精度提出了較高要求，傳感器發射端在采集數據過程中會受到噪聲干擾產生誤差，A/D轉換本身也會產生量化誤差，此外，傳感器工作的實際環境有時會受到尖峰信號的干擾，這些因素都會影響高精度數據采集的實現，為了減小誤差、滿足技術指標對精度的要求，一方面需要對電路設計進行優化，另一方面更多的需要通過軟件濾波剔除脈沖干擾信號的采集、通過軟件濾波提高測量精度，產品在設計時采用了限幅濾波法和算術平均濾波法相結合的方法，實現了對脈沖信號采集的誤差控制，滿足了技術指標對精度的要求。

（a）限幅濾波法

產品設計時采用的限幅濾波法設計原理如下：傳感器接收端輸出信號是發射端采樣信號的5倍，技術指標要求發射端輸出誤差不大于50mV，設計程序時在發射端確定了兩次采樣所允許的最大偏差值為10mV，定義為A。每次采樣到新值時與上一次采樣值進行判斷：如果本次值與上次值之差小于等于A，則本次采樣值有效，并用本次采樣值代替上次采樣值；反之，若本次采樣值與上次采樣值之差大于A，則本次采樣值無效，放棄本次采樣值。通過限幅濾波法有效地解決了偶然因素引起的脈沖干擾。

（b）算術平均濾波法

限幅濾波法可有效濾除脈沖干擾，但對于10mV以下的隨機噪聲還需要采用算術平均濾波法進行平均，以此進一步提高測量精度。算術平均濾波法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，算術平均濾波法的取N個符合限幅濾波法的采樣值進行算術平均運算。N值較大時，信號平滑度較好、采樣精度越高，但采樣時間較長、靈敏度較低；反之，N值較小時，采樣時間較短、靈敏度較高，但信號平滑度較低、誤差較大。經多次調試最終N確定為16，通過算術平均濾波法有效減小了隨機噪聲對測量精度的影響。

四、實驗及分析

在產品方案設計、電路設計、程序設計的基礎上，設計了脈沖電流光纖傳感器產品，并對產品在不同頻率：DC、1kHz、5kHz、10kHz、50kHz、100kHz進行了測試，測試信號為10A時的誤差如圖5所示。

由圖5可知，測試信號為DC時測量誤差最小，為2mV；測試信號頻率為10kHz時，誤差達到最大為22mV，滿足了技術指標不大于50mV的精度要求。

五、結論

本文介紹的脈沖電流光纖傳感器通過量程自適應分段電流檢測技術實現了小電流信號和大電流信號的自動分段檢測，解決了寬范圍大電流信號難以檢測的難題。通過程序設計實現了直流信號和脈沖交流信號的同時檢測，此外，通過限幅濾波和算術平均濾波相結合的方法實現了脈沖電流光纖傳感器的數據采集和傳輸的精度。設計的傳感器具有檢測信號范圍寬(0.1A～10 A)、頻率可變(DC～100kHz)、精度高(≤0.5%)和分辨率高(5mA)等特點，優于同類產品。本文介紹的脈沖電流光纖傳感器設計原理和方法既可以應用在需要檢測電流或電壓的領域，也可應用到需要檢測幅值可變、變頻信號的領域，具有重要的應用價值和廣泛的應用前景。