非接触式直流电流检测装置设计毕业论文
目录
1．1 1．2
本文研究意义 ................................................................................................................ 3 国内外研究现状 ............................................................................................................ 4
1.2.1 分流器...................................................................................................................... 4 1.2.2 电流互感器.............................................................................................................. 4 1.2.3 直流电流互感器 ...................................................................................................... 5 1.2.4 空芯线圈.................................................................................................................. 5 1.2.5 磁通门电流传感器 .................................................................................................. 5 1.2.6 霍尔电流传感器 ...................................................................................................... 5 1．3
本文主要任务 ................................................................................................................ 6
2.1 分流器原理 .......................................................................................................................... 7 2.2 传统铁芯式直流互感器原理 .............................................................................................. 8 2.3 空芯线圈传感原理 ............................................................................................................ 10 2.4 霍尔电流传感器 .............................................................................................................. 12 2.5 磁通门电流传感器原理 .................................................................................................. 13 2.6 光学电流传感器原理 ........................................................................................................ 15 2.7 其他电流传感器原理 .......................................................................................................... 16 3.1 总体方案 .............................................................................................................................. 18 3.2 硬件选择 .............................................................................................................................. 19
3.2.1 电流检测模块............................................................................................................ 19 3.2.2 电压放大模块............................................................................................................ 22 3.2.3 数据采集模块............................................................................................................ 22
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3.2.4 单片机模块................................................................................................................ 22 3.3 硬件电路设计 ...................................................................................................................... 23
3.3.1 电流检测与电压放大模块 ........................................................................................ 23 3.3.2 数据采集模块电路 .................................................................................................... 24 3.3.2 显示模块LCD1602 .................................................................................................. 25 4.1软件设计 ............................................................................................................................... 26 4.2抗干扰措施 ........................................................................................................................... 27
4.2.1 屏蔽 ....................................................................................................................... 28 4.2.2 接地 ....................................................................................................................... 28
4.2.2 瞬态抑制 .......................................................................................................... 29
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1 引言
1．1 本文研究意义
在用计算机对大功率稳流稳压直流开关电源的电流进行遥调、遥测监控时，往往因为计算机与开关电源不能共地和开关电源的噪声干扰，必须在计算机与开关电源之间进行静电(直流)隔离。在隔离中，直流电流隔离检测的精度将直接影响到监控的质量，甚至涉及到电源及用电设备的安全。由此可见，在朋计算机对开关电源的直流电流进行监控时，直流电流隔离检测的精度非常重要，必须是高精度的，否则将无法达到监控的目的。进行静电隔离，传统方法是应用光电式传感器(如光敏二极管、光敏三根管)实现的。但若环境温度发生变化，光敏管的暗电流和光电流将随温度的变化而变化，因此只能实现直流隔离，而无法达到直流电流高精度的隔离检测的目的。在上述监控系统中，由于存在着大功率开关电源，开关电源释放的人量热鼙将使环境温度发生变化，因此在这样的环境中，采用光电式传感器只能实现静电隔离，而无法达剑直流电流高精度的隔隔离检测的目的。
在电气设备检修和自动化领域，对直流电机的电刷是否位于几何中心线、电枢绕组的短路情况等的检查都要用到直流检测技术。在自动控制系统中，直流测速发电机的输出直流电压与转速成线性关系，因此检测它的输出电压就能间接地检测电机的转速；在许多自动控制系统中，一些控制信号也是直流信号，需要检测，但直流检测往往存在二个最明显的困难：一是直流测量仪表不便串入电路中；二是直流检测电路与被测电路不能直接耦合，否则就会影响被测电路的直流工作点，即直流检测的隔离成为问题。
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而用霍尔传感器检测直流信号可以较好地解决上述困难。该传感器由于磁平衡原理自身特性所具有的优越性和霍尔元件良好的温度特性，因此传感精度高、线性度好、温度漂移小，在温度变化的环境中，隔离检测直流电流的精度优于光耦16倍。
1．2 国内外研究现状
常用的电流检测方法有：分流器、铁芯交流电流互感器、铁芯直流电流互感器、空芯线圈、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器等方法，下面具体介绍这几种方法。 1.2.1 分流器
分流器是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压进行电流测量。利用分流器测量电流时，是将电阻数值已知的分流器串联在被测电路里，通过测量或者观测分流器两端的引出电压，即可获得被测电流的大小或波形。理想的制造分流器的材料必须拥有较好的散热性能，材料的电阻率必须拥有极高的长期稳定性和可靠的温度稳定性，制造分流器的材料有多种，比较常用的有康铜和锰铜等合金金属。
分流器的原理简单，在低频率小幅值电流测量中，表现出极高的精度和较快的响应速度。工业领域中，在不涉及到测量回路与被测电流之间电隔离的场合，分流器是将电流信号转变为电压信号的首选方案。 1.2.2 电流互感器
交流电流互感器的典型结构与普通变压器极其相似，它包括一个闭合铁芯和两个绕组，在理想的情况下，如果忽略激磁电流，则原副边绕组的磁通势是相互平衡的。
交流电流互感器的传感原理简单，精度较高，其变比仅仅与原副边绕线的匝数有关，长期稳定性和温度稳定性有保障，因此，交流电流互感器在电力系统中得到了极广的运用。近些年来，软磁材料的发展日新月异，性能优越的坡莫合金、纳米合金以及非晶合金等新型铁磁材料不断涌现，使得互感器的性能得到极大改善，精度不断提高（可高达 10-4级），体积、重量和价格有所优化，与此同时，人们在传统电流
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互感器的基础之上，采取了许多改进措施以进一步提高电流互感器的精度。[1]~[4] 1.2.3 直流电流互感器
直流电流互感器利用被测直流改变带有铁芯扼制线圈的感抗，间接的改变辅助交流电路的电流，从而来反映被测电流的大小。直流电流互感器是德国科学家克莱麦尔教授在1936年研制成功的，是一种简单实用的直流电流检测手段。[5]~[6] 1.2.4 空芯线圈
空芯线圈通常被称为 Rogowski线圈，因为它是由俄国科学家Rogowski在1912年发明的。空芯线圈往往采用将漆包线均匀的绕制在环形骨架上制成，骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料，骨架的相对磁导率与空气中的相对磁导率相同，这便是空芯线圈有别于带铁芯的交流电流互感器的一个显著特征。 1.2.5 磁通门电流传感器
1933 年，世界上出现了第一台磁通门磁力仪，从此，磁通门作为一种简单实用的弱磁场测量仪器受到了人们普遍的关注，1956 年我国从原苏联引入的磁通门航空磁力仪，灵敏度高达 5nT ，近年来，我国自行研制在南极站上使用的 CTM 2302型磁通门磁力仪分辨率可达 1nT 以内。磁通门能够准确的检测磁场，自然能够实现电流测量，但是由于磁通门能够检测的最大磁场不过数十高斯，所以磁通门在电流测量中对象仅仅限于微弱电流。 1.2.6 霍尔电流传感器
霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量。霍尔元件又被称作霍尔片，因为它是一种半导体薄片，作为一种技术成熟且应用广泛的磁场检测元件，霍尔元件是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基础的，是德国物理学家霍尔1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。霍尔元件是一种半导体器件，其温度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高精度测量场合
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的主要因素之一，但是，随着半导体技术的高度集成化，霍尔元件的线性度和稳定性大幅度提高,霍尔电流传感器的应用领域进一步拓宽。
总结以上电流发展历史，霍尔电流传感器是一种典型的有源型电流检测方法，适用于从直流到中频段的任意波形电流的测量，在现在的工业现场，霍尔电流传感器是数百安培以内电流检测的首选产品。开环型霍尔电流传感器简单，闭环型霍尔电流传感器精度较高。本设计采用霍尔电流传感器检测电流。 1．3 本文主要任务
本设计主要任务：针对特种大功率用电设备，设计非接触电流测量装置，为掌握用电设备电流以及功耗变化提供基础条件。本文采用霍尔传感器检测电流，要分为两部分，其一为霍尔传感器电流测量元件原理及接口分析，其二为检测电路与嵌入式处理器的接口设计。系统技术要求如下：3个电流测量通道；满量程的1%的电流测量精度；电流测量范围为2A～100A；电流属性为直流。
本论文首先简述直流测量的主要原理，然后提出方案论证，选择合适方案完成设计，给出合理的硬件电路设计、软件系统和一些抗干扰的措施。
2直流检测的主要原理
对直流电流的测量方法，就其原理而言可分为两大类：一类是根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小，如分流器等；另一类是根据被测电流所建立的磁场为基础，实际上是将电流的测量问题转变为磁场的测量问题，通过一定的手段测量它的磁密、磁通或磁势，再经过转换得知电流的大小。
根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小，由于其体积、误差、损耗、绝缘、测量范围等方面的不足，已经难以满足现代测量的标准。
根据被测电流所建立的磁场来测量电流的方法，不仅种类繁多，而且应用也十分广泛。从物理学角度来看磁场的测量方法主要有核磁共振法、霍尔效应法、电磁感应法、磁通门法、光泵法、磁光效应法、磁膜测磁法及超导量子干涉器件法等。此外，还有一些未得到广泛应用的磁场测量方法，如磁阻效应法、磁控管法、磁敏二极管法、短脉冲放电法、半导体负荷浓度效应法、电子束法、阴极射线法和电子回旋共振法等。这些方法中大部分由于各种原因的限制无法应用于测量电流的互感
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器，例如设备造价太高、结构过于复杂等因素，也有些对被测磁场有特殊的要求，所以实际上并不是所有的测量磁场的方法都可用于测量电流。本章将就目前测量领域研究的几种主要测量原理逐一予以简单的说明，并分析了它们的优缺点。 2.1 分流器原理
分流器是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压进行电流测量。利用分流器测量电流时，是将电阻数值已知的分流器串联在被测电路里，通过测量或者观测分流器两端的引出电压，即可获得被测电流的大小或波形[1-5]。理想的制造分流器的材料必须拥有较好的散热性能，材料的电阻率必须拥有极高的长期稳定性和可靠的温度稳定性，制造分流器的材料有多种，比较常用的有康铜和锰铜等合金金属，近来以来也有新的材料被报道采用。
分流器的原理简单，在低频率小幅值电流测量中，表现出极高的精度和较快的响应速度。工业领域中，在不涉及到测量回路与被测电流之间电隔离的场合，分流器是将电流信号转变为电压信号的首选方案。
分流器应用在大幅值高频率的电流测量中，会产生较大的误差。随着被测电流的增大，分流器的发热急剧增加，为了保证分流器的正常工作，分流器的尺寸、重量和造价不可避免的急剧增加，一定程度上限制了分流器在大电流工业现场的应用；另一方面，当分流器用于测量快速变化的电流或者脉冲电流时，分流器的电感分量不再可以忽略不计，同时，由于集肤效应的存在，使得分流器中的电流分布非均匀化，分流器输出端的电压发生时移，测量的精度将大打折扣。
近些年以来，许多科学家进行了大量的研究工作，对分流器的结构进行了分析和改进，其目的主要是减小分流器在测量电流中受到电磁力和热应力的影响程度。派克（Park ）、亨姆斯（Hains）和伯奈特（Bennett）等对分流器的模型进行了严格的理论分析，求解了同轴分流器在多种频率电流作用下的电流和电压分布，并提出了各种补偿方法，使得分流器电位输出端的电压更接近于理想的阶跃函数（当引入分流器的被测电流为阶跃函数时）。 [7]~[8]
无论采用多么高深而巧妙的设计方法和补偿措施，分流器的发热问题和频率特性不可能得到本质上的改善，如果采用分流器测量高于数十千安的电流，或者采用分流器测量数百千赫兹甚至阶跃电流，都是不合适的。
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2.2 传统铁芯式直流互感器原理
这种直流互感器的工作原理是以交流磁势平衡被测直流磁势为基础的，实际上是利用被测直流改变带有铁芯的线圈的感抗，进而间接地改变了辅助交流激磁电路的电流，从而反映出被测直流电流的大小。
直流电流互感器通常是由两个相同的闭合铁芯所组成，在每个铁芯上有两个绕组：原方绕组和副方绕组。原方绕组串联接入被测电路，副方绕组则连接到辅助交流电路里，其连接方式有串联和并联两种，前者称为副方绕组串联直流互感器，后者称为副方绕组并联直流互感器。由于副方绕组接法的不同，这两种互感器的静态特性和动态特性有很大差别，用途也各不相同。其中副方绕组串联直流互感器用来测量电流，副方绕组并联直流互感器则多半用以测量电压。图2.1给出了副绕组串联直流互感器接线图。
图2.1 直流电流互感器原理图
对于直流电流的测量，现在大都采用补偿式直流互感器。这种补偿式直流互感器的铁芯除了原、副方绕组外，还有一个通过直流的补偿绕组，目的在于补偿被测电流产生的部分磁通势。采用这种补偿办法，对于同样大小的铁芯来说，既可提高被测电流的额定值，又可以降低互感器的误差。补偿绕组中直流电流的供给方式有两种：（1 ）将副方绕组的输出电流整流后供给；（2 ）由外加直流电源供给。
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对于100kA 以上的大型直流互感器，为了消除外磁场的影响，也可采用全补偿式直流互感器，用铁磁材料加以屏蔽。至于补偿绕组的电流，则由磁放大器自动地加以控制。这种全补偿式直流互感器实际上是一种直流比较仪，这部分内容放在后面直流比较仪一节加以讨论。现在对于100~200kA 直流互感器，在 50~110% 的额定电流范围内，其准确度只能达到 0.5至0.2级。这种测量装置的特点是性能稳定，与分流器相比，功率消耗小，能承受较大的负载。主要缺点是线性度差，二次电流纹波较大，同时也易受外磁场影响。如图2.2 所示，这在量程 50%以下难以满足准确度的要求，且一次电流通入时要求方向正确，否则二次侧将输出错误的数值，故只适合于在工业测量中使用。
图2.2 副绕组串联直流互感器副边电流波形
另外，这种直流互感器可以做成一次电流穿心式结构，不用断开一次电流回路，对于一次侧系统的安装提供了方便。前苏联的一台100~200kA 直流电流测量装置，其线圈为框形，有 4 匝和8 匝两种，每个线匝可拆开，其匝数也可根据需要加以改变。
总体而言，直流电流互感器的传感原理简单可靠，与基于变压器原理的交流电流互感器一样，其传感系数仅仅与原副边的匝数有关，长期可靠性和温度稳定性均有保障，因此，直流电流互感器是检测直流大电流的一种有效手段，其缺点主要体现在体积较大、价格较高、需要外界电源的支持等方面。
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2.3 空芯线圈传感原理
空芯线圈通常被称为 Rogowski线圈，因为它是由俄国科学家Rogowski在1912年发明的。空芯线圈往往采用将漆包线均匀的绕制在环形骨架上制成，骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料，骨架的相对磁导率与空气中的相对磁导率相同，这便是空芯线圈有别于带铁芯的交流电流互感器的一个显著特征[15-20]。空芯线圈的典型结构如下图所示，圆柱形载流导线穿过空芯线圈的中心，两者的中心轴重合，空芯线圈上的漆包线绕组均匀分布，且每匝线圈所在的平面穿过线圈的中心轴，下面是空芯线圈传感原理的基本推导。
图2.3 空芯线圈尺寸结构
空芯线圈中的相对磁导率处处为1 ，所以距离中心轴为x 的任意一点的磁感应强度B x 可表示为：
Bx??0I(t) 2?x其中，μ0 为真空中的磁导率， I(t)为载流导线上的被测电流。
由法拉第电磁感应定律可知：当穿过一定面积的线圈的磁通量发生变化时，该线圈上将感应到一定大小的电压，该电压的方向与磁通量的变化方向有关，该感应电压的大小为d Φ /dt 。
以上图所示结构的空芯线圈为例，其骨架截面为矩形，单匝线圈上的磁通量的和可用数学表达式表示为：
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??w?Bxdx?w?abba ?w?0b0I(t)dx?lnI(t)2?x2?a
上式中，a 和b 为骨架的内半径和外半径，w 为空芯线圈的厚度，空芯线圈的绕线匝数为 N ，则空芯线圈的感应电压 e 可用下面的公式进行表示，M 被称作空芯线圈的互感系数。
e?Nd?w?0NbdI(t)dI(t)?ln?Mdt2?adtdt
M?w?0Nbln 2?a从上述的推导不难看出，理想的空芯线圈对电流的测量依赖于一个稳定可靠的互感系数，将测得的感应电势进行积分处理并结合该空芯线圈的互感系数进行计算，即可得到被测电流的大小，积分环节可以采用模拟积分器或者数字积分器，所以，通常而言，空芯线圈是一种有源式电流检测方法，但是，采用空芯线圈测量高频电流时采用无源模拟积分器也是一种简单有效的方式。将空芯线圈的二次绕线均匀的布置，是将N 匝线圈构成一个近似于线积分的效果，而不是简单的多匝线圈的直接累加，当绕线无限密集均匀时，从数学上可以证明，理想空芯线圈的互感系数非常稳定，感应电势的大小不会因为载流母线形状的改变而发生改变，感应电势也不会因为空芯线圈与载流母线的相对位置的改变而发生变化，更为重要的是，当有电流从空芯线圈的窗外穿过时，无限密集的二次绕线上的感应电势相互抵消，最终感应到的感应电势与外界的干扰电流（或磁场）无关，从而保证了空芯线圈测量窗内电流的准确性和可靠性。
空芯线圈和基于变压器原理的交流电流互感器一样，只能用来实现对交流电流的检测，但是它们的传感原理完全不同：交流电流互感器的二次输出信号为电流，拥有一定的承担负载的能力，其大小正比于被测电流的大小，其二次回路不能够开路工作；空芯线圈的输出信号为弱电压信号，基本没有承担负载的能力，其大小正比于被测电流对时间的变化，其二次输出一般处于开路工作状态。空芯线圈不含有铁芯，骨架中的磁感应强度与被测电流可始终保持线性关系，所以空芯线圈不存在磁饱和问题，而且，一定频率下，空芯线圈的输出电压信号随被测电流的增加而增加，对感应电势的处理和检测更为容易，所以，空芯线圈在大电流或高频率电流测量中有着先天的优势。
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空芯线圈在交流电流的测量中拥有体积小、重量轻和价格低等优点，在电力系统暂态电流测量和工业脉冲大电流测量中有比较成熟和普遍的应用，但是测量精度不高、难以大批量生产、不适合用于小电流测量等缺点在一定程度上阻碍了空芯线圈的大面积推广。 2.4 霍尔电流传感器
霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量。霍尔元件又被称作霍尔片，因为它是一种半导体薄片，作为一种技术成熟且应用广泛的磁场检测元件，霍尔元件是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基础的，图 1.4 所示为霍尔元件的基本传感原理，是德国物理学家霍尔1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的[21-25]。半导体薄片的横向方向通过电流Ic ，在垂直于薄片的磁场B 作用下，载流子由于受到洛仑兹（Lorentz）力的作用，在纵向上发生偏转，在薄片的上下两端不断积累，其中一边累积正电荷，另一边累积负电荷，正负电荷之间的电场被称作霍尔电场，它们之间的电势差被称作霍尔电势，霍尔电势与电流Ic 和磁感应强度B 成正比。霍尔元件是一种半导体器件，其温度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高精度测量场合的主要因素之一，但是，随着半导体技术的高度集成化，霍尔元件的线性度和稳定性大幅度提高，霍尔电流传感器的应用领域进一步拓宽。
图2.4 霍尔元件的传感原理
从传感原理上可将霍尔电流传感器分为开环型霍尔电流传感器和闭环型霍尔
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