新型直流小電流傳感器的設計

劉畢杰　許鐸　侯延鵬

摘 要：直流系統絕緣監測領域對漏電流傳感器測量精度要求極高，需要使用高精度直流傳感器以檢測支路出現絕緣下降時的漏電流。因此，研制出一種頻帶寬、靈敏度好、精確度高的直流小電流傳感器具有重要的理論意義和實用價值。本文設計了一種新型直流小電流傳感器，利用導磁材料的B-H 間的磁滯特性采用單一線圈的自激勵，將電流的變化轉化成脈沖寬度的改變。本文對其進行了硬件設計，并進行了基于Multisim的仿真。

關鍵詞：絕緣監測；B-H磁滯特性；直流小電流傳感器

0 引言

直流系統絕緣監測領域對漏電流傳感器測量精度要求極高，需要使用高精度直流傳感器以檢測支路出現絕緣下降時的漏電流。因此，研制出一種頻帶寬、靈敏度好、精確度高的直流小電流傳感器具有重要的理論意義和實用價值。目前，在市場中流行的電流傳感器種類比較多，其功能各有不同，各有優缺點。

1 傳感器電路設計

所設計的傳感器電路主要包括振蕩電路、濾波電路、放大電路、調零電路等。其中振蕩電路是將測試信號轉換為矩形波信號，濾波電路是將矩形波流信號進行濾波，放大電路是將濾波后的信號進行放大。調零電路是將放大后的電路在不測量情況下進行調零，以保證在測量信號時能輸出信號。

振蕩電路的目的是得到幅值穩定的采樣信號。本傳感器的振蕩電路是經過由電感構成的振蕩電路的高低電平的時間寬度的不同而測量電感的變化，來求取電流值。振蕩電路如圖1所示。在輸入信號的高低電平信號的變換下，電阻R5和電感L1共同構成了RL換能電路。運算放大器U1A和R3及R4共同構成了具有遲滯特性的反相滯回比較器，其上限閾值電壓為：

i（t） 是按照指數規律變化的電流，電阻R5上的電流就是電感L1中的電流，所以電阻R5兩端電壓按指數規律增加。因為Ul是反相滯回比較器的輸入，所以，隨著電流的增加，UL端電壓將增加。當Ul端電壓高于上限閾值時，輸出Uo將會翻轉，由+Uz變為-Uz，電感中的電流將按照指數變化規律緩慢減小。在R5兩端電壓減小時，Ul端電壓也會下降，當Ul端電壓低于下限閾值時，比較器再次發生翻轉，在輸出端Uo輸出高電平Uz，電感電流緩慢增大，進入下一周期循環。

在公式（3）中，當對應輸出的為高電平時，i（∞）為，當對應輸出的為低電平時，i（∞）為。i（0+）為電感電流的初始值，對應輸出為高電平時，i（0+）為，對應輸出為低電平時，i（0+）為。τ是電路的時間常數，為：。

綜上，輸出矩形波的高低電平寬度為：

由上式得出，電阻R3的變化會同時影響三個指標，R1和R2的并聯值則影響濾波電路的中心頻率和品質因數，R2不影響通帶增益，但是電容C并不影響帶通濾波電路的增益和品質因數[5]。

調零電路：調零電路的作用是當在檢測電流信號時，調零電路輸出的信號會根據檢測信號形成一定的變化，通過標定后，即可實現檢測的目的。通過滑動變阻器的切換，使內部左右兩個性能一致的電阻分別與對應分配電阻構成并聯狀態，工作在校零的狀態。通過外接電源輔助調零電路，可以改善運算放大電路的輸入失調電壓過大或者無法調零的狀況。

當經過一級放大電路的輸出信號為正向電流時，調零電路通過將滑動變阻器向左滑動，使調零電路輸出與其大小相等方向相反的電流信號，從而使最后的輸出電流保證為零。同理，當一級放大電路輸出反向電流時，亦能保證輸出電流為零，從而達到調零的目的。

2 直流小電流傳感器仿真驗證

根據各模塊電路設計，使用Multisim完成了直流小電流傳感器的整體電路設計，得到圖4所示仿真電路圖。

（1）對振蕩電路進行仿真，得到的波形如圖5所示。

由圖5，輸入12V的直流信號，輸出電壓為10.7V、頻率為120Hz電壓信號。所以傳感器線圈能感應出直流系統中存在的電流，振蕩電路的輸出矩形波的高低電平寬度會隨著電流變化，該電路滿足設計要求。

（2）對濾波電路進行仿真，得到的波形如圖6所示。

由圖6，濾波電路濾除了方波信號中的諧波信號，輸出信號是一個近似正弦波的電壓信號，滿足設計要求。

（3）對該調零電路進行仿真實驗，得到的波形如圖7所示。

從圖7可知，此電路能夠完成調零功能，電壓等級可達到100uV，滿足設計要求。

為使仿真結果更加清晰，將一級放大電路和調零電路的輸出結果接入示波器XSC2，得到仿真結果如圖8所示。

由圖8可知，在10.588ms時，一級放大電路的輸出電壓為-26.098mV，調零電路的輸出電壓為+26.098mV。此時，直流小電流傳感器的輸出結果為零，檢測精度小于100uV。

綜上，經過濾波電路、一級放大電路，得到一個電壓信號，其后通過改變可調變阻器阻值，使輸出結果為零。這樣，就達到了直流小電流傳感器的工作目的。通過多次仿真實驗，證明了此傳感器在檢測精度在100uA以上。

3 結論

針對直流系統絕緣監測領域直流漏電流傳感器檢測精度不足的問題，本文提出了一種直流小電流傳感器，具有穿心式、高靈敏度、寬量程、小體積、低成本的特點。其主要通過振蕩、濾波、放大、調零等步驟以實現對小電流的檢測。通過仿真分析，驗證了其檢測精度達到100uA數量級。

本課題受吉林市科技創新發展計劃項目（20165011）、吉林市科技創新發展計劃項目（20161209）資助

參考文獻

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作者簡介：

劉畢杰（1995—），男，漢族，重慶，研究生，單位：東北電力大學，研究方向：智能檢測與控制

（作者單位：1.東北電力大學電氣工程學院 2.國網吉林省電力有限公司3.國網遼寧省電力有限公司本溪供電公司）