基于时间差型磁通门的电流传感器抗干扰研究

2024-04-29李菊萍叶明盛任浩蔡艳兰王文武刘莉娜

传感器世界 2024年2期

李菊萍，叶明盛，任浩，蔡艳兰，王文武，刘莉娜

1.宁波中车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021 2.湖南汽车工程职业学院，湖南株洲 412000

0 引言

工业和民用的许多场合需要用到电流传感器，以监测电流和控制电动装置。随着技术发展，许多应用场合对测量精度提出了更高要求，尤其是漏电流测量领域[1-6]。准确快速地监测到漏电对消除漏电造成的安全隐患有重要意义。基于霍尔效应、聚磁阻抗效应、随磁阻抗效应等物理效应的传感器精度、稳定性和可靠性都无法满足要求，因此，目前这些技术未普遍应用于漏电流测量领域。作为弱磁场测量的重要手段，磁通门电流传感器具有精度高、分辨率高、灵敏度高、尺寸小和温度漂移小等优点，因其优异的综合性能，经常用于一些要求较高的场合，如地球和太空磁场测量、人造卫星和导弹姿态控制。日本富士公司在2011 年的“IEEE传感器会议”上报道了基于迟滞时间差型磁通门的商用漏电电流检测器[7]。

迟滞时间差型（Residence Times Difference，RTD）磁通门采用单铁芯结构，对传感器输出信号峰值的时间差而非信号幅度进行检测。相对传统磁通门传感器而言，RTD 磁通门体积减小，且不需考虑双磁芯的聚磁、涡流及电磁参数的对称性等问题，测量电路因避开了相敏检波及积分等环节而得到简化。针对迟滞时间差型磁通门传感器的主要工作有剩余电流检测[8]、模型[9-10]、噪声[11-12]、时间差数据处理[13]等。

在漏电流检测领域，需特别关注小电流检测所需的灵敏度，及外界干扰对小电流检测的影响。对于小电流传感器，通常匝数较少，线圈端口需要钉针固定，而且铁芯组件与PCB 也需要连接，钉针设计以及组件连接的可靠性、可制造性、产线量产问题导致实际线圈做不到理想均匀。实际应用中缺乏考虑线圈不均匀因素时传感器各种设计参量与抗干扰性能的定量关系指导。目前已发表的关于磁通门的抗干扰文献大多为关于罗盘的。

本文在对自激振荡时间差磁通门电流传感器进行理论推导的基础上，分析了绕线不均匀对传感器信号检测的影响，抗干扰性能的影响因素，分析了传感器设计参数、不均匀因素与抗干扰性能的定量关系，为自激振荡时间差磁通门电流传感器的优化设计提供重要参考。

1 工作原理

图1 为RTD 型磁通门电流传感器结构示意图。被测电流im穿过环形铁芯，在铁芯内产生偏置磁场，绕有线圈的铁芯与比较器相互作用，组成自振荡电路。通过采样电阻端电压检测铁芯饱和情况，当该电压达到阈值电压时，比较器的输出信号方向翻转，使线圈端加载周期性自振荡方波，铁芯内产生周期性的磁场。当被测电流为0 时，自振荡方波的高低电平持续时间相等。当被测电流不为0 时，在铁芯内产生偏置磁场，从而正反向磁化不对称，通过检测高低电平时间差，即可实现对被测电流的测量。

理想铁芯的磁化曲线如图2 所示，Hs为饱和磁场强度，Bs为饱和磁感应强度。当铁芯内磁场小于饱和磁场Hs时，磁导率为μ；当铁芯内磁场大于饱和磁场时，铁芯磁导率接近真空磁导率。图3 为RTD 型磁通门电流传感器工作原理示意图。先考虑被测电流im为0 时的情况，如图3 中的实线，当方波换向为正向高电平时，铁芯还处于反向饱和状态，电感远小于电阻，因此电流变化很快，由反向最大值-ir快速降为-is，磁芯进入非饱和状态，电感增大，线圈电流缓慢变化，当电流达到正向is时，铁芯进入正向饱和，电感急剧减小，电流突变增大，当电流达到翻转阈值is时，方波电压换向，高低电平时间差相等。被测电流im不为0 的情况如图3 中的虚线，达到铁芯饱和时的电流分别为imin、imax（见下文），在激磁电压的正半周期内，被测电流使磁芯滞后饱和，在激磁电压的负半周期内，被测电流使磁芯提前饱和，高低电平时间差不相等。

根据图1 工作电路，得到如下磁调制回路方程：

求解，得：

假定铁芯饱和时，方波持续时间远小于非饱和时方波持续时间，铁芯内磁场等于Hs时，近似为方波翻转时刻，磁芯正向饱和时：

磁芯反向饱和时：

式中，H和Hm分别为绕在铁芯的线圈与被测电流在铁芯内产生的磁场。由式（2）～（4）得高低电平持续时间分别为：

式中，xmin=imin/iR，xmax=imax/iR，iR=U/R，imin、imax分别为反向饱和与正向饱和时的线圈电流；imin+im=-is，imax+im=is，为未加被测电流时达到饱和所需的电流，im为被测电流。

令xm=im/iR，xs=is/iR，由式（5）～（6）得时间差输出：

式中，xmax=(xs-xm)，xmin=(-xs-xm)。

考虑传感器正常工作时条件，即保证电流可以正常翻转，imin＞-iR，imax＜iR，因此要求被测电流满足如下条件：

由式（5）～（7）分析可知，电阻与电感比值影响高低电平持续时间，但不影响时间差与周期比值，不影响输出。随着xs=is/iR=0.1～0.9 参数的改变，时间差与被测电流关系如图4 所示。随着被测电流增大，xm增大，时间差增大，可通过检测时间差来测量被测电流。量程、灵敏度与参数xs有关。当铁芯饱和磁场一定时，随着方波激励电压与回路电阻之比iR=U/R减小，参数xs从0.1 增大到0.9，量程减小。考虑到xm=im/iR，对于同样被测电流，随着方波激励电压与回路电阻之比iR=U/R减小，参数xs从0.1 增大到0.9，由图4 可知，斜率y/xm增大，灵敏度y/im=y/(xmiR)也增大。

2 绕线不均匀影响分析

考虑绕线不均时的情况，将磁芯分为1 和2 两部分，如图5所示。与均匀绕线相比，磁芯1匝数占比多了a，即等效匝数为n(1+a)/2，磁芯2 占比少了a，即等效匝数为n(1-a)/2，n为线圈总匝数。

同上文，假定铁芯饱和时方波持续时间远小于非饱和时方波持续时间，磁场等于Hs时近似为方波翻转时刻，磁芯正向饱和时：

磁芯反向饱和时：

其中，H1和H2分别为绕在铁芯的线圈在铁芯1 部分与2 部分产生的磁场。用等效电流表示被测磁场与饱和磁场，令is=Hsl/n，im=Hml/n，换向时的线圈电流如下：

令xm=im/iR，xs=is/iR，xmax=imax/iR，xmin=imin/iR，得时间差输出同式（7），但式（7）中的xmax、xmin需改为式（13）、式（14）：

考虑传感器正常工作时条件，即保证电流可以正常翻转，需满足imin＞-iR，imax＜iR，因此，要求被测电流满足如下条件：

根据式（7）、式（13）～（15）得到绕线不均时的传感器输出。当绕线不均匀参数a=0.1 时，随着参数xs从0.1增大到0.8，传感器的输出时间差如图6所示。与绕线均匀时规律一样，随着被测电流增大，时间差增大，随着方波激励电压与回路电阻之比iR=U/R减小，量程减小，灵敏度增大。电阻与电感对输出的影响也与绕线均匀时规律相同。比较式（8）与式（15），与绕线均匀情况相比，绕线不均时的量程减小。图7 为绕线不均匀时与均匀时的输出对比，参数xs分别为0.1和0.8，绕线不均匀参数a=0.1。从图7 可以看出，绕线不均时的灵敏度增大，量程减小。

3 干扰影响分析

当存在外界磁场H0干扰时，为方便分析，假定被测电流为0。如果传感器绕线均匀，即使存在外界干扰，但正反向磁化对称，如图8（a）所示，因此时间差输出为0。由于传感器实际实现时，不可能做到绕线完全均匀，当传感器绕线不均匀时，正反向磁化不对称，如图8（b）所示，使输出不为0。

分析外界干扰对输出影响，同上文，假定铁芯饱和时，方波持续时间远小于非饱和时方波持续时间，磁场等于Hs时近似为方波翻转时刻，磁芯正向饱和时：

磁芯反向饱和时：

其中，H1和H2分别为绕在铁芯的线圈在铁芯1 部分与2 部分产生的磁场。用等效电流表示外界干扰，i0=H0l/n，换向时的电流可能有以下情况：

换向时的最大最小电流与干扰相关。

当i0≤-isa时：

当-isa＜i0＜isa时：

当i0≥isa时：

考虑传感器正常工作时条件，即保证电流可以正常翻转，需满足imin＞-iR，imax＜iR。

因此，综合式（18）～（22），并且令x0=i0/iR，xs=is/iR，xmin1=imin1/iR，xmin2=imin2/iR，xmax1=imax1/iR，xmax2=imax2/iR，得：

当x0≤-xsa，且x0＞-(1-a)+xs时：

当-xsa＜x0＜xsa，且-(1-a)+xs＜x0＜(1-a)-xs时：

当x0≥xsa，且x0＜(1-a)-xs时：

将式（23）～（25）代入式（7）可得不同参数xs时输出随干扰的变化，如图9 所示。随着外界干扰增大，输出增大。在同样的外界干扰时，随着激励电压与回路电阻之比iR=U/R增大，参数xs=is/iR减小，参数x0=i0/iR也减小，由图9 可知，干扰输出幅值减小。增大iR时，虽然干扰对应的输出减小，但被测电流对应的输出也减小，需分析信噪比有无改善。

将不同参数xs时干扰的输出时间差除以不同激励电压与回路电阻之比iR=U/R时的灵敏度，干扰转化为等效被测电流xm，如图10 所示。由图10，x0=i0/iR，xm=im/iR可知，随着参数xs=is/iR从0.8 减小到0.1，干扰对应的等效被测电流也减小，即当铁芯饱和磁场一定时，在同样的外界干扰下，随着激励电压与回路电阻之比iR=U/R增大，等效被测电流减小，抗干扰能力增强。当激励电压与回路电阻之比iR=U/R减小时，随着iR=U/R成倍增大，等效干扰电流也相应减小，抗干扰改善显著。