非接触式直流电流检测装置设计毕业论文.doc

xxxx届毕业设计说明书非接触式直流电流检测装置设计毕业论文目录11本文研究意义312国内外研究现状41.2.1 分流器41.2.2 电流互感器41.2.3 直流电流互感器41.2.4 空芯线圈51.2.5 磁通门电流传感器51.2.6 霍尔电流传感器513本文主要任务62.1 分流器原理72.2 传统铁芯式直流互感器原理72.3 空芯线圈传感原理92.4 霍尔电流传感器122.5 磁通门电流传感器原理132.6 光学电流传感器原理152.7 其他电流传感器原理163.1 总体方案183.2 硬件选择193.2.1 电流检测模块193.2.2 电压放大模块213.2.3 数据采集模块223.2.4 单片机模块223.3 硬件电路设计223.3.1 电流检测与电压放大模块223.3.2 数据采集模块电路233.3.2 显示模块LCD1602244.1软件设计254.2抗干扰措施254.2.1 屏蔽264.2.2 接地274.2.2 瞬态抑制271 引言11 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。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。12 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。141.2.3 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。561.2.4 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。13 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2A100A；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）。 78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。 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。 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100200kA 直流互感器，在 50110% 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100200kA 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。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：其中，0 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 /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： 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。 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。 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电流传感器。开环型霍尔电流传感器以铁磁材料作为导磁体，而将霍尔元件放置在导磁体的气隙中，很明显，铁磁部分磁阻远远小于气隙的磁阻，在一定范围内，气隙中的磁感应强度与被测电流保持稳定的线性关系，测量多个气隙内的磁感应强度，结合气隙铁芯的传感系数即可获得被测电流的大小。采用铁磁材料聚磁的主要作用有二：起到聚磁的作用，增强被测电流产生的磁感应强度；消除外界电流或磁场对开环型电流传感器的影响，分段开气隙的铁磁材料可有效屏蔽外界磁场，从而使得传感器的总霍尔电势对外界磁场或电流的感应为零。开环型霍尔电流传感器往往精度不高，一般可达 10-2级，被测电流与互感器额定电流相比较小时，测量误差会急剧增加，其主要原因是：由于铁磁材料存在磁滞和损耗，当被测电流在较大范围内变化时，气隙中的磁感应强度与电流之间的线性关系会发生一定变化，特别是较小电流时，这种偏差尤为明显。 闭环型霍尔电流传感器沿用了比较仪的零磁通原理，在开环型霍尔电流传感器的基础上进行了一系列改进，首先是在带气隙的铁磁材料上均匀布置一个平衡绕组，其次霍尔元件不再用以直接检测电流的大小，而作为一个剩余磁通检测单元，霍尔元件的输出霍尔电势控制驱动一定大小的电流通过平衡绕组。稳态下，平衡绕组与被测电流保持良好的线性关系，比例系数为平衡绕组的绕线匝数与被测电流绕线匝数的比值，通过检测平衡绕组中的电流大小即可得到被测电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠，精度可高达 10-3级甚至更高，但是，平衡电路的驱动能力有限，制作大电流闭环霍尔电流传感器是比较困难且十分昂贵的。 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。2.5 磁通门电流传感器原理 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。 下图是采用磁通门测量毫安级电流的典型应用，传感器主要由软磁材料坡莫合金铁芯、两个激励绕组和两个检测绕组组成。两个激励绕组均匀对称的绕在铁芯上且反向串联，匝数亦相等的检测绕组均匀对称的绕制在激励绕组上且方向一致，激励绕组中通以一定频率和幅值的交流电流而在铁芯中产生相应的交变磁场，检测绕组获取的感应电势与被测电流存在一定的线性关系。 图2.5 磁通门电流传感器当圆环铁芯中无电流通过时,由于两激励绕组匝数相等且反向串接, 铁芯中产生的两交变磁场的大小相等,方向相反, 此时检测绕组上的输出电势为零。当圆环铁芯中有电流I0通过时,由I0产生的直流磁场H 0叠加在上述两交变磁场Hc之上 , 由于激励绕组反向串接 , 一个激励绕组的励磁作用加强, 磁场强度为(Hc+H0)，另一个激励绕组的励磁作用减弱, 磁场强度为 (Hc -H0)。由于铁芯中磁感应强度B 可近似于描述成磁场强度H 的一次函数和三次函数之和, 而检测绕组上的感应电压正比于磁感应强度对时间的变化，经过系列推导，可以得到以下结论：检测绕组的感应电势的幅值与被测电流产生的磁场强度 H0和激励电流的频率成正比，比例系数与激励电流、铁芯物理尺寸和绕线匝数有关。为了提高精度，往往对感应电势进行二次谐波分量（相对于激励电流的频率）进行提取分析，为了提高磁通门的灵敏度，提高激励电流的频率和增大铁芯的截面积是简单而行之有效的方法，具体的磁通门传原理的细节推导和信号处理电路设计在文献26-30 中有详细描述。磁通门在弱磁场和小电流领域有较大的应用前景。磁通门能够实现准确测量的前提是：待检测的磁场强度 H0与激励磁场强度Hc相比很小甚至可近似忽略。因此，磁通门仅适用于近似于直流的稳恒微弱电流测量，且只有在有限的动态范围内才能保证接近于110-2级的精度。 2.6 光学电流传感器原理 光学电流传感器可以采用多种物理效应，如：法拉第（Faraday）磁光效应、磁致伸缩效应等，其中研究最为充分、最具有实用化前景的是基于法拉第磁光效应的光学电流传感器32-40。当线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的作用下通过磁光介质时，其偏振面将发生偏转，偏转角 可以表示为： 1.7其中， 为法拉第磁光材料的磁导率；V 为磁光材料的 Ve r d e t常数，它与介质的特性、光源波长、外界温度等有关；H 为作用于磁光材料的磁场强度； L 为通过磁光材料的偏振光的光程长度。当光路为环绕电流导体的闭合路径时，根据安培环路定律可知： 1.8其中，N 为线偏振光围绕电流的环路数，i 为被测电流。通过测量偏转角的大小，即可得到被测电流的大小，这就是基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的基本原理。按传感头的结构不同，光学电流传感器可以分为全光纤式光学电流传感器、块状光学电流传感器、集磁环式光学电流传感器41-48。全光纤光学电流传感器是将传感光纤缠绕在通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中偏振光的旋转角来间接测量电流；块状光学电流传感器的光学传感部分采用磁光玻璃作为传感材料，通过特殊的光学加工使得偏振光在磁光材料中围绕通电导体旋转一周或多周；在磁环上开一缺口，将磁光材料置于磁环的缺口中，被测线路置于磁环的中央，通过测量磁环缺口中的磁场来间接测量线路中的电流，这种结构被称为集磁环式光学电流传感器（也被称为点式光学电流传感器）。全光纤式光学电流传感器和块状光学电流传感器采用闭合光路结构，传感系数如式（1.8）所示；磁环式光学电流传感器采用非闭合光路，模型如式（1.7）所述。 光学电流传感器有着非常突出的优点：绝缘造价低，重量轻，体积小，易于和数字仪表接口，抗电磁干扰能力强，不存在暂态磁饱和现象，具有宽广的动态测量光学电流传感器有着非常突出的优点：绝缘造价低，重量轻，体积小，易于和数字仪表接口，抗电磁干扰能力强，不存在暂态磁饱和现象，具有宽广的动态测量范围和频率响应范围。但是，从 1963 年美国制造出第一台光电流传感器“Tracer” 到现在，光学电流互感器走过了一段非常曲折的历史，上世纪 80 年代是光学电流传感器最受关注的时期，但这一时期的光学电流互感器精度低、稳定性差，最终导致了光学电流互感器研究热潮在上世纪90 年代的迅速消退，其主要原因是：全光纤式光学电流传感器传光和传感部分都采用光纤，其面临的线性双折射和长期运行稳定性问题比较严重；块状光学电流传感器要通过全反射构成闭合光路，电矢量相互垂直的两个分量之间产生相位差，存在相位补偿问题，而且多处采用光学胶粘合带来运行稳定性问题；集磁环式光学电流传感器光路短，受双折射影响小，但受铁芯材料的非线性影响较大。 2.7 其他电流传感器原理 电流和磁场有着非常密切的联系，通过测量磁场来获知电流的大小有效而可行，所以，所有与磁效应有关的物理方法都可以作为磁场和电流测量的传感方案。在上述的电流传感器中，霍尔电流传感器采用的是霍尔元件的磁阻效应，空芯线圈利用的是电磁感应效应，基于法拉第效应的电流传感器利用了磁光效应，这些都是比较常见且技术相对成熟的磁场（或电流）检测方法，此外，还有一些磁场检测手段在科学研究中也得到了一定的实践和发展，下面列举了几种典型的磁场测量原理和方法，同样可能在电流检测领域得到应用54-59。 核磁共振。核磁共振是基于测量原子核核磁矩在磁场作进动的进动频率，而对于某一物质的原子核的旋磁比又为固定不变的常数，因此核磁共振法测量磁场是属于绝对测量，核磁共振测磁场不需要定标，只需依据共振磁强物质的旋磁比和共振频率便可算出磁感应强度。核磁共振测量磁场的误差包括测量旋磁比所引起的误差、用核磁共振法测量磁感应强度时由于判断调谐共振点不准确带来的误差、核磁共振变换器里安置样品的容器对被测磁场的屏蔽作用产生的误差，但这三项误差均不超过110-6量级，所以核磁共振常用作标准磁场量具的基准。核磁共振适用于20000nT 以上磁场的测量，针对太弱的磁场测量比较困难且精度低，载流母线采用带偏心圆形空气沟的圆柱形导体，这是一种单汇流排变换器，其圆柱形空气沟的轴线平行于汇流排的轴线，在电流沿汇流排截面均匀分布的情况下，空气沟里磁场是均匀的，并且可以精确计算出来，通过测量该磁场的大小即可获知被测电流的大小。 超导量子效应。又被称作约瑟夫逊（ Josephson）效应，是约瑟夫逊在 1962 年发现的，两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10 埃左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。用约瑟夫逊效应做出的超导量子干涉器(简称SQUID ) 可分辨 10-15 T磁场，在微弱信号检测应用方面显示出其无比的优越性，在国防、探矿、地震预报、生物磁学等方面得到应用。虽然SQUID的灵敏度极高，但由于需要采用超导体，且信号的解调十分复杂，现在除了在部分军事和医疗领域的应用外还没有别的产品出现。除了法拉第的光学电流传感器这一基于磁光效应的检测手段外，还有一系列的磁光效应可以应用在磁场（或电流）检测领域，例如Kerr 效应和Zeeman效应等等。光泵磁力仪就是以Zeeman效应（某些元素的原子在外磁场中产生的能级分裂现象）为基础, 利用光泵作用( 利用光作用使原子磁矩达到定向排列的过程) 和磁共振技术研制而成的, 它具有灵敏度高（可达10-10T ）、响应频率高, 可在快速变化中进行测量的特点。此外，利用磁致伸缩材料和光栅相结合也是近年来研究的重点，磁致伸缩材料在磁场的作用下发生形变，与磁致伸缩材料紧密连接的光栅可以有效检测到形变量，从而实现对作用磁场大小的测量。 上述的物理效应在理论上都可以实现一定频率和幅值电流的测量，而且，可以预言：随着科学技术的不断发展，更多与电和磁相关的物理效应会被发现，同时，更多的物理方法会被采用制作新型的电流传感器来满足要求极苛刻的应用领域。综上所述，用霍尔传感器测量直流电流，原理简单，精度能达到10-3级，温度性能较稳定，所以本采用设计采用霍尔传感器原理。3总体方案及硬件电路设计3.1 总体方案 基于霍尔传感器的电流检测系统以AT89C51单片机为核心,应用霍尔传感器技术,实现对被检测电路电流的测量。检测系统硬件电路包括单片机模块、数据采集模块、数码显示模块和电流检测模块,系统硬件框图如图3.1所示。数据采集电流检测单片机数码显示电压放大图3.1 系统框图电流检测模块将被测导线周围的磁感应强度转换为电压值，送到数据采集模块，数据采集模块将，电流检测模块送来的电压模拟量转换为数字量，送到单片机，单片机对送来的数据进行处理，将送来的电压值转换为电流值，最后送到LCD显示模块显示出来，实现电流的实时测量。3.2 硬件选择3.2.1 电流检测模块霍尔效应的完整定义为：当电流垂直于外磁场方向穿过导体时，在垂直于电流和外磁场的方向，导电体两侧产生电势差的现象被称为霍尔效应。霍尔效应是在金属中被发现的，但是在半导体中更为显著。早在1879 年，E.H.Hall 便发现了霍尔效应，但是实用的霍尔元件一直到人工生长的半导体材料成功之后才出现，具体是在二十世纪四十年代，半导体锗单晶的出现才得以制造出第一个磁电传感器半导体锗霍尔元件。霍尔元件以霍尔效应为工作基础，是一种磁传感器，可以检测磁场及其变化。霍尔元件具有很多优点，它们结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽、及烟雾的污染或腐蚀。霍尔元件的线性度好、精度高，霍尔元件无触头、不易磨损，采用各种保护和补偿措施的霍尔元件工作范围宽，可达 -55150。 按照霍尔元件的功能可以将它们分为：霍尔线性元件和霍尔开关元件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按照被检测对象的性质可将它们分为直接应用和间接应用：直接应用是指直接检测出受测对象的磁场或磁特性；间接应用是检测受测对象上人为设置的磁场，用这个设置的磁场作为被测的信息的。通过间接应用，可以将许多的非电、非磁物理量如力、力矩、位移、速度、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态的变化周期等转变成电量进行检测。电流测量是一种利用霍尔元件直接测量被测电流产生的磁场大小的应用，采用霍尔线性器件可以制造霍尔电流传感器，来实现对被测电流这一连续变化模拟量的准确检测。 按照霍尔元件的结构可将它们划分为：一维霍尔元件、二维霍尔元件和三维霍尔元件。一维霍尔元件又被称为单轴霍尔元件；二维霍尔元件的结构是二维平面，因此也被称为平面霍尔元件；三维霍尔元件通常被称为非平面霍尔元件。垂直霍尔元件和柱状霍尔元件都是常见的单轴霍尔元件结构；它们仅仅能感测一个方向上的磁场，将两个单轴霍尔元件相互垂直的集成在一起，制成的磁传感器就可以同时测量磁场在同一平面上的两个分量；将三个单轴霍尔元件相互垂直的集成在一起，即可得到三维磁传感器，可同时测量磁场在各个方向上的分量。单轴霍尔元件适合测量磁场在特定方向上分量的大小，二维和三维霍尔元件能够方便获得磁场在空间上的分布，适用于空间位置和角度等方面的测量。霍尔电流传感器采用单轴霍尔元件制成，在实现对被测电流准确检测的同时，能够有效消除外界磁场对传感器的影响。 按照霍尔元件的功能材料可将它们划分为：InSb 霍尔元件、InAs/GaAs 霍尔元件、In0.53Ga0.47 As/InP 霍尔元件、二维电子气霍尔元件、SiC 霍尔元件。对于传感器来说，功能材料是其发展的基础，每一项新功能材料的发展和成功应用，都可能对传感器产品的研发和改进产生新的推进。霍尔元件首先要有高的灵敏度、高效率、高稳定性，要求材料同时具有高的霍尔迁移率和电阻率，其次，使用温度范围要宽，最后，元件的磁场线性度好，匹配方便，价格低廉，符合半导体发展方向。 本设计本文将使用线性型霍尔传感器UGN一3501M检测直流电流。UGN-3501M是集成的线性型霍尔传感器，为8引脚PID封装的集成电路，采用差动霍尔电压输出，其输出极性与磁场方向有关，检测灵敏度为14V01T。应用时在其5、6、7引脚连接调整电位器，可补偿不等位电势，同时可改善线性。调整5、6引脚外接电阻R5、R6阻值，可使输出霍尔电压U。与磁场强度B有较好的线性关系。图3.2 UGN-350IM输出与磁场强度的关系利用UGN-3501M霍尔传感器可以方便地检测直流电流，原理如图3.3所示。绕有线匝的标准圆环铁芯有一个缺口，将UGN一3501M插入缺口中，将待检测直流电流接入线匝，电流通过线匝时产生磁场，则霍尔传感器就有电压输出。按UGN一3501M的检测灵敏度，比如当线圈为9匝，电流为20A时可产生01T的磁场强度，UGN一3501M可输出约为14V的电压。图3.3 UGN-350IM用于检测直流电流原理图根据电磁场理论，对于长度为L的螺管线圈或平均周长为L的环行线圈，它们内部的磁感应强度B为：B=uNI/L式中N为线圈匝数，I为线圈中的电流，u为周围介质导磁系数。3.2.2 电压放大模块数据采集模块芯片ADC0809只能识别05V的电压，电流检测和数据采集模块间需加电压放大模块，电压放大模块采用AD522。AD522为双端输入，单端输出的测量放大器。器有高输入阻抗，线性度良好的特点其管脚功能如图所示，脚1,3为输入端，脚2,14接电位器，调节增益，脚4,6为调零端。图3.4 AD522管脚功能3.2.3 数据采集模块本设计中数据采集模块采用ADC0809，ADC0809是8 位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。3.2.4 单片机模块选用AT89C51单片机作为电路控制的核心。AT89C51是一种低功耗/ 低电压、功能强、灵活性高且价格合理的8位单片机。片内有128B的RAM数据存储器,4 KB的ROM程序存储器,4个I/ O口,1个串口,2个定时/ 计数器,5个中断源,无内置看门狗,也无A/ D转换。根据系统设计要求,需要在片外扩展A/ D转换接口。AT89C51单片机片内的4 KBROM只读存储器为FLASH存储器。该存储器采用CMOS工艺和ATEMEL公司的高密度非易失性存储器技术,与工业标准的MCS- 51指令集和输出管脚相兼容,可通过专用编程器即擦即写,允许擦写次数可达105次。3.2.5 数码显示模块数码显示模块接收单片机送来的电流值，并动态显示出来，本设计采用LCD1602，LCD1602单5V电源电压，低功耗，寿命长，可靠性高，内置192种字符具有64字节的自定义RAM，适配MC51和M86系列MPU的操作时序。3.3 硬件电路设计3.3.1 电流检测与电压放大模块电流检测与电压放大模块电路图如下图所示，RP1为猴儿传感器的线性度调节和消除不平衡电压电位器；RP2为AD522调零电位器；RP3为增益电位器；C1，C2为直流电源滤去高次谐波和抗干扰电容；AD522的13脚必须与屏蔽端相连，一提高抗干扰能力。当AD522增益K为100是，AD522的线性度为0.0005%；共模抑制比为100dB。这样曾哥检测电路绝对线性度在1.2%左右，因此该电路线性度良好。图3.5 电流检测与电压放大模块电路图3.3.2 数据采集模块电路ADC0809 是8 位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图4.5ADC0809引脚图典型接线图如下：图4.6 ADC0809接线图IN0引脚接收AD622送来的电压信号，D0D7将转换好的数据送至AT89C51的P1口，由AT89C51的P3.1口给clk引脚送来一个频率为12MHz的脉冲信号，作为采样频率。3.3.2 显示模块LCD1602LCD1602单5V电源电压，低功耗，寿命长，可靠性高，内置192种字符具有64字节的自定义RAM，适配MC51和M86系列MPU的操作时序。图4.7 LCD1602其接线图图如图4.8所示图4.7 LCD1602接线图4软件设计及抗干扰措施4.1软件设计系统软件采用C语言编程,采用模块化结构,主要包括初始化模块、A/ D采样处理模块等部分,修改和维护十分方便。初始化模块主要完成各个端口以及2个计时器的初始化,并定义使用的各个端口。A/ D采样处理模块主要是对从ADC0809采集来的数据经过相应的算法进行处理,并将处理后得到电流值送到LED1602显示。流程图如下图所示：4.2抗干扰措施随着各种电子电路和电力电子技术在各个领域日益广泛的应用，电磁兼容已成为现代电气工程设计过程中必须考虑的问题。国家标准GB/T4365-1995电磁兼容术语对电磁兼容（Electromagnetic Compatibility简称EMC）所下的定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括两个方面的含义： 1、 电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设备乃至相邻几个系统，它们在自己所产生的电磁环境及在它们所处的电磁环境中，能按原设计要求正常运行。 2、 该设备或系统自身产生的电磁噪声（Electromagnetic Noise简称 EMN）必须控制在一定的电平，使得由它造成的电磁干扰不致对它周围的电磁环境造成严重的污染，进而影响其他设备或系统的正常运行。 电力系统是一个强干扰源，在正常和异常运行状态下都很容易产生各种电磁干扰。发电厂、变电所本身就形成了一个很大的交变电磁场，对周围设备造成电磁干扰。高、中压变电站内开关的分、合操作会产生高频阻尼振荡波。一次设备发生雷击、电力系统短路故障、电容器组切换时都会产生浪涌电压。连接在二次回路的继电器、接触器动作时产生电感性负载，接点跳动时会在电源线、数据线上产生一组快速变化的脉冲群（快速瞬变干扰）。随着电力工业的发展和新技术的采用，以微电子技术与计算机技术为基础的二次侧弱电设备，如继电保护、自动装置、远动和通信装置等在电力系统中的广泛使用，处于同一电力系统中的各种电气设备彼此相互影响，系统工作的可靠性在电力系统复杂的电磁环境中受到严峻的考验，因此电磁兼容问题已经成为不容忽视的重要问题。 任何电磁兼容问题都包含三个要素，即电磁干扰源、敏感器和耦合路径。解决电磁兼容问题就是要控制干扰源的电磁辐射、抑制电磁干扰传播途径以及增强敏感器的抗干扰能力。对于实际的电力系统而言，电磁环境已经确定，所以应从切断干扰耦合途径和提高设备抗扰度两方面实现对系统的电磁兼容设计。总体来讲，抑制干扰措施主要有屏蔽、接地、瞬态抑制、电源的抗干扰设计等几种。4.2.1 屏蔽采用屏蔽体将需要屏蔽的器件或设备包围起来，经过屏蔽体的电磁场因反射和吸收而衰减，对被屏蔽器件或设备的影响将减小到允许水平以下。反射损耗取决于干扰场的形式和金属导体的波阻抗，阻抗越低反射损耗越大；而吸收损耗是以电磁波通过屏蔽体所产生的涡流发热而使其能量得以损耗。 屏蔽按其作用机理可以分为三类: 电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。电场屏蔽主要用于消除容性耦合，可以采用高导电性材料，如铜、铁等，其拥有较小的阻抗，反射损耗较大，正好满足电场屏蔽（包括电磁屏蔽的要求）；磁场屏蔽主要用于抑制感性耦合，采用高磁导率材料，如坡莫合金、冷轧硅钢、电工软铁等，它们可以极大的提高材料的吸收损耗，达到屏蔽磁场的效果；电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，如果屏蔽接地，则还可以起到静电屏蔽的作用。4.2.2 接地接地是减少噪声的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制装置内部的噪声耦合，防止外部电磁骚扰的侵入，从而提高系统的抗干扰能力。 接地分为安全接地和信号接地。如果接地通过一个低阻抗路径与大地相连，称为接大地。安全地通常与大地为等电位，而信号地却不一定与大地等电位。很多情况下，安全接地点并不适合用作信号接地点，这可能引起电子电路的电位差，导致噪声问题更加复杂化。信号接地又可分为单点、多点和混合接地。单点接地是把整个电路系统中一点作为接地基准点，其他各单元的信号地都接在这一点上。多点接地是指系统中各个接地点都直接接在距它最近的地平面上，使得接地引线的长度最短。它与串联单点接地的区别是：串联单点接地的公共引线是母线，而多点接地的公共引线是接地平面。混合接地是指串联单点接地与并联单点接地混合，单点接地和多点接地混合。 在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，因而常采用单点接地以减少地线造成的地环路。在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容造成的各接地线间的耦合影响比较突出，故一般采用多点接地。通常频率小于1MHz 时，可以采用单点接地，当频率高于1MHz 时，应采用多点接地。当频率处于1MHz10MHz之间时，应采用单点接地，其地线长度不应超过波长的 1/20 ，否则采用多点接地。4.2.2 瞬态抑制 电路系统复杂的电磁环境