1、 本 科 生 毕 业 设 计 论 文 数字直流微电流传感器的设计与实验验证院 系 光学与电子信息学院 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 年 月 日华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码摘要在日常生产生活实践中，人们需要对各种各样的微弱电流信号进行检测，并且还有许多物理量通过传感器交换成微弱电流信号，因此对于微弱电流信号的检测具有重大意义。目前可用于直流漏电流测量的互感器主要基于霍尔原理和磁调制原理，其中磁调制式微电流传感器通过监控电流产生的磁场，不对电路回路产生直接影响，可有效减少误差，因而得到了广泛应用。本文根据相差式磁调制原理设计并实现了一种可检测 0100mA 大小范围内
2、直流电流的微电流传感器及其测量系统。主要完成了微电流传感器检测电路原理设计和验证，测量系统的硬件电路设计，单片机处理系统的软件设计与开发，系统联机检测与分析以及提出一种改进的电路以减小测量误差和提高测量精度。关键词：微电流；传感器；磁调制；测量华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码AbstractIn the daily life and production practice, people need to realize the micro current signal detection of high accuracy on a wide variety , otherw
3、ise there are many physical quantity be converted into micro current signal, so it is of great significance for the detection of micro current signal. Currently ,the sensors of dc micro current measurement are mainly based on the principle of Hall and magnetic modulation principle, among which the m
4、icro current sensor with magnetic modulation are working by monitoring the current generated by the magnetic field.They will produce less direct effect in the detection circuit, and can effectively reduce the error, thereby came into widespread use. According to the principle of phase difference mag
5、netic modulation, a micro current sensor and its measuring system are designed and realized in this paper for measuring the dc current in the range of 0100mA .We mainly completed the principle design and verification of the micro current sensor detection circuit , measurement system design of the ha
6、rdware circuit, design and development of the MCU processing system software, and detection and analysis on the on-line system.Finally we put forward an improved circuit so as to reduce the measurement error and improve the measuring accuracy.Key words: Micro current;Sensor;Magnetic modulation; Meas
7、urement华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码目 录摘 要 .IAbstract.II1 选题背景 .111 本课题的意义 .112 磁检测原理与方法 .12 方案论证 .221 断丝信号中所含噪声分析 .222 信号处理的软件部分 .23 过程论述 .331 BP 神经网络 .332 信号特征量的识别 .34 结果分析 .45 结论或总结 .5致 谢 .6参 考 文 献 .7华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码一，绪论1.1 选题背景及研究意义在日常生产生活实践中，人们需要对各种各样的微弱电流信号进行检测。并且还有许多物理量通过传感器交换成微弱电流信号,因
8、而在静电研究、材料测试、电力设备在线监测、光电互感器等应用与测试中要测量极微弱电流。例如高压电气设备的泄漏电流一般在几 A 到几百 mA 之间,普通的电流互感器难以测到。又如支路接地是直流系统的常见故障之一，若不及时排查，则可能引发严重的电力系统事故。因此，必须对直流接地故障(绝缘故障)进行在线监测。直流漏电流测量法是直流系统接地故障检测方法的一种，该方法无须向直流系统注入任何信号，并且不受系统对地分布电容的影响，具有明显的技术优势剖。目前，可用于直流漏电流测量的互感器主要基于霍尔原理和磁调制原理。在传统意义上的电流测量当中,一般是将电流表串连到被测回路当中去,因此,该回路将被引入两个测试点。
9、理想状态下,电流表的接入是不会引起任何误差的,但是在实际的测量当中,这种直接式测量将改变电路的参数,从而将会带来测量误差。直接得到的电信号是模拟信号，一般都比较微弱，还会外接放大电路将信号放大，再通过 A/D 转换电路将其转换为数字信号。1非直接式电流测量直流电的方法有霍尔传感器、电流互感器和电流比较器等。一般通过监控电流产生的磁场得到，由于电流周围本身会产生磁场，因此通过测量磁场的大小得到要测电流的大小，可以通过磁调制式传感器来检测直流电流。生产生活中，人们需要对各种各样的微弱电流信号进行检测，为了减小测量误差，非直接式测量得到了广泛应用。直接式会在回路中引入两个测试点；非直接式通过监控电流
10、产生的磁场，不对电路回路产生直接影响，可有效减少误差。在非接触式测量方法中，利用磁调制方法测量的仪器得到广泛应用。现有的直流电流比较仪式的电流测量仪器, 基本上都以倍频磁调制器为核心构成。这种方法在直流电流的测量方面实现了准确度的重大突破, 相应的仪器精度均达到 数量级。与此同时 , 倍频磁调制原理的应用又迅速扩展到其它领域, 6-107如磁测量及非电量测量2。在磁调制器输出信息中, 不仅有幅值变化量, 也含有相位变化。相位差式磁调制器直流电流测量方法通过对磁调制器输出信息中相华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码位变化的测量, 达到直流电流测量的目的。相位差式测量方法与倍频式测
11、量方法相比, 具有测量精度高、电路简单、稳定性好、抗干扰能力强、使用方便等优点。31.2 国内外研究现状早在 70 年代，对直流电流间接测量的研究已广泛展开，并在大电流场合(几百至十几万安培)已能够做到较精确的间接测量，但实现在小电流范围内(几十毫安至几十安培)的精准测量难度较大。4曾维鲁深入地研究了相位差式磁调制直流电流测量方法5，以磁调制器输出信息中正负半波相位变化量为测量对象, 来达到直流电流测量的目的。文章中指出，相位变化量是时间量, 因此测量系统不需要复杂的滤波、放大等辅助电路, 使硬件系统十分简化, 提高了抗干扰能力。时间测量可以比较容易地达到较高精度, 易于数字化和与计算机接口。
12、他发现与现有的倍频磁调制器直流电流测量仪相比, 由于相位差式磁调制直流电流测量方法完全摒弃了二次谐波分量幅值测量, 而以磁调制器输出信息中正负半波相位差变化量为测量对象, 来达到直流电流测量的目的, 因此这种方法具有以下优点:1）相位变化量 t 是时间量, 测量较为方便, 时间测量容易达到较高精度;2）相差式测量方法采用单铁芯磁调制器即可满足要求, 磁调制器工艺简单;3）省去复杂的滤波、解调、放大电路, 系统辅助电路简洁、可靠、稳定性好;4）相位测量比幅值测量抗干扰能力强, 易于实现测量系统全数字化;5）使用方便, 调校容易。近年来，国内的微电流检测研究得到了十分迅速地发展，根据文献,仅在20
13、07 年，国内微电流检测的研究精度就已达到 10-16A,其代表产品为 EsT121 型数字超高阻、微电流测量仪,其微电流测量精度最高为 A;而国外的研究精度16-0为 10-17A(美国吉时利(Keithiey)仪器公司),并已形成系列产品，当时该公司的6430 型亚认远程源表,其电流测量精度为 0.4fA)。6Xu Zeliang 等人提出并实现了一种利用新型磁调制方法的漏电流传感器7，用于传感正弦交流电，脉冲式或平滑的直流电所产生的漏电流，以保护操作人员华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码3-105避免直接或间接接触电流。他们将一种基于 RL 自激振荡电路用于调制伴有方波
14、脉冲信号的交流或直流剩余电流，以及一种包含有二次谐波低通滤波器电路的解调制方法用于简便地测量交流和直流剩余电流。他们设计的这种漏电流传感器与漏电流防护标准 IEC60947-2 Annex B 和 IEC60755 相符合。与此同时，这种传感器具有更简单的结构，更小的尺寸和低成本。 栗营利设计了一个小型磁调制式直流电流比较仪8，以验证磁调制理论用于测量直流电流的可行性。硬件电路主要包括交流激励电路、变压器、检测磁环、电源、带通滤波器、锁相倍频器、偏置电路、乘法器、低通滤波器、PI 控制、功率放大等。设计的小型磁调制式直流电流比较仪精度高于 A 并且不受磁环饱和程度的影响。在其设计中，发现匝数越
15、少、负载越小、 负载的功率因数越高，则谐波对比较仪的灵敏度和线性度影响越小。另外采用高磁导率材料、适当增加磁屏蔽体厚度可以增大磁屏蔽效能，增大磁屏蔽体内径会减小磁屏蔽效能。 Toshikatsu Sonoda 等人设计并实现了一种可以检测直流和交流电流信号并具有同样精度的电流传感器。这种传感器能够检测出很大范围内的直流和交流电流。即使当这种传感器被暴露于较大的温度变化环境或外部磁场，其检测性能也不会退化。这种传感器的命名依据其采用的检测原理，其检测原理为磁场控制式，而且具有以下特性：1）传感器为非接触式；2）工作频率范围从直流到几百赫兹；3）动态范围可以从几毫安扩展到 100 安培；4）在传感
16、器的整个检测范围内保证0.01%的检测精度；5）即使可用于每个传感器的磁心磁滞回线不同，应用的电流检测电路仍然具有近似相同的检测特性。91.3 直流微电流传感器种类 直流系统经过长时间运行后，在潮湿、阴雨等天气原因下和其他人为原因造成其绝缘下降漏流增大，这无疑会危害电力系统的安全运行。直流微电流传感器最重要的应用是对漏电流信号的检测，由于一般现场条件所限，为了尽量减小对所测电路的直接影响，以及由此影响带来的测量误差，多采用非接触式的电流传感器来检测漏流。非接触式的电流互感器多以通过检测磁场的变化来检测被测电流的大小。目前可用于直流漏电流测量的互感器主要基于霍尔原理和磁调制原理10。 华 中 科
17、 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码（1）霍尔电流传感器 霍尔电流传感器技术成熟，价格低廉，测量电流幅值范围宽，从几毫安到几千安的电流范围内都有全系列的产品进行应用，但是当电流幅值很小时，特别是当在 1 毫安以下时，霍尔电流传感器则表现出灵敏度不够、稳定性差，抗干扰能力差等不足。霍尔电流传感器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点, 因而被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大电流、电压等各个领域中。在电力电子产品中,对电流进行精确的检测和控制也是产品安全
18、可靠运行的根本保证。（2）磁调制式电流传感器 磁调制式传感器灵敏度较高，但制造材料成本高，且多采用双线圈为振荡电路，体积较大，通过模拟信号传输，但测量电路使用、扩展不便。磁调制式电流互感器大都以倍频磁调制器为核心，通常由双磁芯结构构成，检测过程通过检测磁芯二次绕组的输出信号中二次谐波分量来获得电流信息，进而通过相关计算得出电流大小。 1.4 本文主要工作本文主要做了以下工作：（1）微电流传感器检测电路原理设计和验证 介绍了选题背景和相位差磁调制式测量的基本原理，详细分析本文设计的微电流电流传感器及其测量电路的工作原理，并通过公式推导得出相应参数之间的关系，理论上验证可行性。 （2）测量系统的硬
19、件电路设计 根据相位差磁调制式微电流传感器的工作原理，设计测量系统的硬件电路。其主要模块和外围构成包括：提供系统工作的电源模块、三角波激励源模块、迟滞比较器模块、磁环绕组模块、进行计算处理的单片机电路模块等。 （3）单片机处理系统的软件设计与开发在硬件电路的基础上，利用 Keil u4 编写数据处理模块和测量结果显示的模块，包括初始化模块、定时器模块、数据处理模块、数码管显示模块等。 在已华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码集成的单片机开发板上实现这一功能，并将测量系统的输出信号接入单片机引脚实时处理和显示。（4）系统联机检测与分析 模拟范围在 0100mA 内的直流微电流，利
20、用本文设计的 测量系统进行检测，取合理的电流强度梯度做出误差分析，检测其线性度，通过比较检测值与真实值来评估其能否正确检测出电流大小。（5）改进硬件设计由于微电流直接引起的铁芯磁场变化十分微小，在实际测量过程中容易因为硬件误差和操作失误导致不能准确地捕捉到变化量。最终，根据测量原理的线性性质，本文提出了一种改进方法，在待测电流接入环状铁芯之前经过电流放大电路，按照确定的倍率将电流值放大，因而可将铁芯磁场变化放大至便与测量读取，只在最终的计算过程中把这一放大考虑进去即可。这样可以有效的减小误差。1.5 本章小结本章主要介绍了本课题的选题背景及微电流检测的研究意义，回顾了国内外微电流检测领域的研究
21、现状，列举了常见的两类微电流传感器及其检测原理，最后简要说明了本文所做工作。二，相位差磁调制式测量系统基本原理2.1 单铁芯磁调制器经理论和实践证明,在交变对称电压或电流源激磁的铁芯中,若同时存在直流恒定磁场,铁芯中交变磁通的对称性就被破坏,磁通波形的正负半波相位将发生变化,相应地,检测绕组 W3 输出电压 u 中的正负半波将发生相对位移。11W3 端正负半波相位变化量的大小和方向可以反映 W1 端直流偏置电流 I 的大小和方向,利用这一特性测量直流电流,就是相位差磁调制式直流电流测量方法。利用这一特性测量直流电流,就是相位差式磁调制器直流电流测量方法的基本原理。该方法完全摒弃了现有建立在磁调
22、制器基础上的各种测量方法共同采用的谐波分量幅值测量法,而以磁调制器输出信息中正负半波相位变化量为测量对华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码象,来达到直流电流测量的目的。12相位变化量是时间量,因此测量系统不需要复杂的滤波、放大等辅助电路,使硬件系统十分简化,提高了抗干扰能力。时间测量可以比较容易地达到较高精度,易于数字化和与计算机接口。图 2.1 单铁芯磁调制器图中 W1 端输入直流待测电流 I，可在铁芯中产生直流偏置磁场 H0。设铁芯的截面积为 A，平均磁路长度为 l。We，Ws，Wd 分别为铁芯的激励绕组、信号绕组和检测绕组。假设用一个大小为 Ie的三角波恒流源对激励绕组 We 供电，并使铁芯充分饱和(Ie,We 足够大)的情况下，讨论信号绕组中有无直流信号时铁芯绕组的电磁过程。铁芯磁化过程的 B-H 曲线及磁滞回线如图 2.2 所示。 图 2.2 铁芯的迟滞回线原理图图 2.2 中，Hc 为矫顽力，Hs 为饱和磁场强度，Br 为剩余磁感应强度，Bs
