一种新型光电式电流传感器的设计

一种新型光电式电流传感器的设计

1电流采样及信号变换传感光学电源具有良好的电绝缘性能、大的测量范围和良好的频率响应性。广泛应用于电气系统测量、故障监测、自动控制等领域。目前,除了基于磁光玻璃或光纤的法拉第磁光效应,以及个别利用新型磁光材料、光纤光栅等的光学电流传感器以外,还有一类光电子式电流传感器,它们通常采用空芯线圈、模-数(A/D)转换电路以及发光二极管(LED)等实现电流采样及信号变换,并由光纤传输电流传感信号。这类光电子式电流传感器具有可实现绝缘测量、结构简单和成本低等优点,但其传感方案中采用的Rogowski线圈和A/D变换电路等限制了电流传感器的频率响应特性,且易受外界杂散电磁场的干扰。脉冲电流(PC)以及瞬态冲击电流的测量具有重要的工程应用价值。但目前传感方案中Rogowski线圈的固有电感特性限制了其频率响应,而采用A/D变换电路的数字测量方法虽然可以提高传感器的信噪比(SNR),但一般具有较长的响应延迟时间,不宜用于脉冲或瞬态冲击电流的传感。显然,利用取样电阻比利用电感性或电容性元件实现脉冲电流采样具有更好的频率响应特性。依据此设计思想,并参考文献、中报道的光电式脉冲电场传感器,本文设计实现了一种利用取样电阻和场效应晶体管管(FET)的光电式电流传感器,可用于传感直流电流(DC)、方波脉冲电流脉冲以及工频交流电流(AC)。2led的测量过程如图1所示,被测电流i(t)由无感取样电阻R1转换为电压信号,利用FET的转移特性将电压信号线性放大并转换为FET的漏-源(D-S)极电流ID,并用以驱动LED。与被测电流i(t)成正比的光传感信号经由塑料光纤(POF)传输到光电探测器(PD),再经过光电检测和信号处理电路即可获知被测电流信号。图中,R2为LED所在回路的限流电阻,电压源Vs1用于提供FET的工作偏置电压,电压源Vs2用于提供LED的工作电流。根据图1,对于电流取样电阻R1及FET的栅-源(G-S)极所在的回路,按照图示被测电流i(t)的参考方向,由基尔霍夫电压定律可得VGS=Vs1+i(t)R1(1)式中:VGS为FET的G-S极电压。设使FET导通的阈值电压为VT,则当VGS≧VT时,FET导通。若此时其漏极电流为ID,则对于FET的D-S极及LED所在的回路有Vs2=Vm+ID(R2+rDS+rLED)(2)式中:Vm为LED导通时的端电压;rDS为FET导通时的D-S极间内电阻(很小,如～0.5Ω);rLED为LED的导通电阻,由其伏安关系确定。由FET的转移特性可知,ID与VGS之间的关系为ID=ID0(VGSVT−1)2(3)ΙD=ΙD0(VGSVΤ-1)2(3)式中,ID0为VGS=2VT时的漏极电流。由式(2)、(3)可知,ID的静态值除了与Vs2和R2等有关,还同时被信号电压VGS调制。LED的发光功率Po正比于其端电压与驱动电流的乘积,但一般LED正常发光后其端电压Vm基本保持不变(例如1.5V);由图1可知,LED的驱动电流即为ID,因而有Po=ηexVmID(4)式中:ηex为LED的外量子效率。上述式(1)～(4)表明,通过检测LED的发光功率Po的变化,即可实现对被测电流i(t)的光学传感与测量。将LED发出的信号光耦合进POF并传输到PD,即可获得与信号光功率Po相关的电信号。对于不同性质的被测电流(DC或AC),可以选择FET的不同静态工作点以及不同的光电信号检测方式。2.1pd的线性化传感机理当被测电流为DC时,以IRF510型FET为例,分析如何选择FET的静态工作点,以及相应的光电信号检测方式。IRF510是一种N沟道增强型FET。图2为IRF510在两个结温下的典型转移特性曲线,反映了D-S极电流ID与G-S极电压VGS之间的变换关系。对于正向DC测量,为了获得较大的线性测量范围,可选择图中A点,即VGS略大于VT的点为FET的静态工作点。此外,由上述式(1)、(3)和(4)可知,光功率Po与被测电流i(t)之间存在含有i(t)的平方项的非线性关系,为了实现线性化测量,可以采用PD的开路电压作为传感器输出。此线性化传感机理分析如下:对于PN结型半导体PD,当其开路电压uoc≫kBT/e(≈0.0255V,对于T=298K)时,uoc可近似表示为uoc=kBTeln(IphIps)=kBTeln(C0SdPoIrs)(5)uoc=kBΤeln(ΙphΙps)=kBΤeln(C0SdΡoΙrs)(5)式中:kB为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;e为电子电量;Iph为与Po成正比的光电流;Irs为PN结反向饱和电流;C0表示从LED到PD之间光信号耦合与传输系数,包括POF中的光传输损耗;Sd为PD的光电转换灵敏度。将式(1)、(3)和(4)代入式(5)并令i(t)=I可得uoc=kBTe[K0+2ln(Vs1+IR1VT−1)](6)uoc=kBΤe[Κ0+2ln(Vs1+ΙR1VΤ-1)](6)式中K0=lnC0SdηexVmID0Irs(7)Κ0=lnC0SdηexVmΙD0Ιrs(7)是与器件参数相关的系数。式(6)即为uoc与I之间的函数关系。此时,若设置Vs1≈VT,并适当选取I和R1使得IR1≪VT(例如至少10IR1<VT),则式(6)可近似为uoc≈kBTe(K0−2C1+2C2R1VTI)(8)uoc≈kBΤe(Κ0-2C1+2C2R1VΤΙ)(8)式中,C1、C2为常数。可见,此时uoc与被测电流I之间存在近似线性关系。2.2传感器输出电压的测量对于脉冲电流与AC的测量,可选择图2中ID-VGS关系曲线上近似线性区域的中点作为FET的静态工作点,例如点B;同时利用PD的光电流作为传感器的基本输出量,因为光电流模式下PD具有更好的频率响应特性。与光功率Po成正比的光电流经电流-电压线性变换、放大后的电压信号uo(t)为uo(t)=C0SdA1Po(9)式中,参数C0和Sd与式(5)相同;A1为光电检测电路的电流-电压变换、放大系数。当选择点B为FET的静态工作点时,应设置Vs1=VT+ΔVT,并将式(1)、(3)和(4)代入式(9)可得传感器输出电压为uo(t)=K1(ΔVTVT+R1VTi(t))2=K1[(ΔVTVT)2+2ΔVTR1V2Ti(t)+(R1VTi(t))2](10)uo(t)=Κ1(ΔVΤVΤ+R1VΤi(t))2=Κ1[(ΔVΤVΤ)2+2ΔVΤR1VΤ2i(t)+(R1VΤi(t))2](10)式中K1=C0SdA1ηexVmID0(11)为另一个与器件参数相关的系数。式(10)表明,uo(t)与i(t)之间为非线性关系。可考虑利用对数放大器实现线性测量,但对于高频或脉冲电流的测量,应考虑现有对数放大器的有限频率响应特性。此外,根据式(10),如果将uo(t)的交流分量uoac(后两项)与直流分量uuodc(第1项)分离并相除,可得输出电压信号为uo1(t)=uoacuodc=2R1ΔVTi(t)+(R1ΔVTi(t))2(12)uo1(t)=uoacuodc=2R1ΔVΤi(t)+(R1ΔVΤi(t))2(12)与式(10)比较可知,利用式(12)获得传感器输出信号uo1(t)的主要优点是它与C0、Sd、A1、ηex、ID0和Vm等器件参数无关,从而可以极大提高传感信号对环境温度及震动等扰动的抑制能力,特别是可以去除LED的发光效率ηex随温度的变化对传感信号的影响。但由式(12)可知,传感器灵敏度仍与ΔVT有关,其温度特性将直接影响传感器的温度稳定性,应设法补偿。3电路工作原理和测量电路根据图1所示电流传感机理,设计制作了光电式电流传感单元以及光电信号检测与处理电路。其中FET的选择主要应考虑:1)ID-VGS转移特性曲线上具有较大的线性调制区间;2)对于脉冲电流测量,应选择响应速度快的FET。以下分别对DC、方波脉冲电流以及工频AC进行了实验测量,其中DC测量选择了IRF510型FET,工频AC和方波脉冲电流的测量选择了性能相似的IRF532型FET。图1电路中,取样电阻R1=0.02Ω,其额定功率为20W,故其总的最大允许电流约为31.6A,故当被测电流I=15A时,IR1=0.3V。电路中,电压源Vs1、Vs2均为干电池,因IRF510型和IRF532型FET的阈值电压VT≈3.0V,故DC测量时设置Vs1略大于3.0V,脉冲电流和AC测量时设置Vs1≈3.2V。此外,电压源Vs2≈3.7V,限流电阻R2=27Ω,Vm≈1.5V,rDS≈0.5Ω,此时ID约为1～10mA,红光LED的中心波长约为650nm,所用POF的纤芯直径为0.98mm。3.1数学模型及非线性误差分析被测DC取自北京大华公司生产的DH1716-4D型直流稳压稳流电源。实验电流回路中,串联了一个0.1Ω/50W的电阻作为模拟负载,使电源工作在恒流方式,电流值由41/2位数字万用表读取。PD采用Si光电池,其开路电压Uoc作为电流传感输出信号,并由数字万用表(UT39E型)直接测量。在实验室内,测量了0.03～17.00A范围内的DC,一组典型实验数据及其线性拟合直线如图3所示,线性拟合得到的关系式为Uoc≈0.00359I+0.342/V,其非线性误差小于0.44%。可见,Uoc与I之间具有很好的线性关系,与式(8)相符。3.2传感器输出电压峰-峰值uopp被测方波脉冲电流由3A/32V稳压稳流电源、方波信号发生器、FET和8Ω/25W限流电阻相结合产生。IRF532型FET的阶跃响应的典型导通延迟时间为12ns,关断延迟时间为25ns。LED的电光频率响应带宽一般不低于几MHz,如文献给出一种红光LED的响应带宽为6.1MHz。采用Si-PIN型PD,其脉冲响应上升时间约为3ns。利用光电流-电压变换与放大后的电压信号作为传感器输出,如式(10)所示。信号放大采用了高速集成运算放大器,其-3dB带宽大于1GHz。当被测方波电流峰-峰值为1A、频率为2kHz时,由数字存储示波器记录的被测电流ip以及相对应的传感输出电压信号uo波形如图4(a)所示,其中ip取自与R1串联的电流开关管FET的D-S极间电压。可见,脉冲前后边沿分别重合。在0～1A峰-峰值电流范围内,对电流幅值响应特性测量数据及其非线性拟合曲线如图5所示,传感器输出电压峰-峰值Uopp与被测电流峰-峰值Ipp之间的多项式拟合函数关系为Uopp≈-0.1+27.8Ipp-7.2I2pp/mV。为了观测电流传感信号uo的响应延迟时间,对如图4(b)所示被测电流与传感器输出信号波形的上升边沿(虚线内部)进行了放大观测发现,上升沿中包含了信号过冲与振荡现象,如图4(c)所示,示波器时间单位为250ns/div。可见,除了起始部分有些异常畸变以外,上方uo与下方ip波形基本一致,但uo比ip延迟了约Δt≈160ns的时间。图4(b)和(c)对应于被测电流频率为359Hz、峰-峰值为0.2A。波形起始部分的异常畸变可能与电路中元器件实际特性有关,尚待分析与改进。3.3输出电压信号被测AC取自工频(50Hz)市内用电,用自耦调压器串联10Ω/2kW的固定电阻即可获得可调被测电流Iac,调压器的电压调节范围为0～250V、额定功率为3kW。光传感信号由Si-PIN型PD变换为光电流信号,再经过光电流-电压变换与放大,以及AC、DC分量的分离与相除运算,可以得到与式(12)对应的输出电压信号。实验所用运算电路原理与文献基本相同。当被测电流有效值分别为Iac=2A和Iac=4A时,传感器输出电压信号如图6所示。由图6(a)可见,当Iac=2A时,传感信号波形为较理想的正弦波;由图6(b)可见,当Iac=4A时,波形已明显畸变。表明被测电流增大时,传感器呈现非线性响应,即式(12)中的电流平方项不能被忽略。令式(12)中i(t)为不同幅值的正弦电流进行简单的数学仿真表明,图6的信号波形与式(12)一致。在Iac=0.002～5.000A范围内,输出电压有效值随AC变化的一组典型实验数据及其多项式拟合曲线如图7所示,拟合曲线的函数关系式为Uo≈0.013+1.383Iac-0.080I2ac/V。4电流传感器的选用上述传感机理分析与实验结果表明:测量DC时,应设置FET的偏置电压稍大于其阈值电压VT(如图2中的A点),并选择PD的开路电压作为传感器的输出量,可以在FET转移特性曲线允许的较大范围内实现DC的线性测量;测量AC时,应选择FET转移特性曲线上近似线性区间的中点(如图2中的B点)为其偏置电压,并选择PD的短路电流及其变换电压信号作为传感器的输出量,此时传感器输出的线性特性与被测电流幅值以及取样电阻大小直接相关,输出电压与被测电流之间一般为非线性关系,在一定范围内可近似为线性关系。本文提出的电流传感器的脉冲及频率响应特性主要取决于FET、LED和PD等元器件以及光电检测电路;目前实验结果为脉冲电流响应延迟时间约为160ns。与以往文献中的光纤电场传感电路相比,图1所示电路用电流取样电阻代替了文献中的天线