電流卡鉗傳輸阻抗的線性補償

朱偉玲

（浙江師范大學，浙江金華，321000）

電流卡鉗傳輸阻抗的線性補償

朱偉玲

（浙江師范大學，浙江金華，321000）

為了擴展電流卡鉗的頻率測試范圍，根據其等效電路模型，分析并測試了傳輸阻抗特性，發現了傳輸阻抗在頻率范圍內的非線性現象，進而提出了基于放大器的線性補償方法。通過測試結果表明，在1-50kHz的被測信號情況下，匹配了放大器的電流探頭的傳輸阻抗的波動范圍≤±1dB。因而，利用這一補償方法，可以給單片機信號采集轉換成被測電流值帶來方便。

電流卡鉗;非晶態合金;傳輸阻抗;放大器

0 引言

電流卡鉗（亦稱電流探頭、電流鉗形表）因其無需串聯到被測電路中，通過互感器耦合方式測量的特點，大量應用于科研生產和檢修測試當中。然而，傳統的電流卡鉗受磁芯材料的限制電磁感應耦合頻率敏感性較大，在低頻范圍內耦合系數小，這在很大程度上制約了電流卡鉗測試特性的線性度。目前，針對低頻測量的研究已有相應的研究成果。例如在電流卡鉗中用兩個探頭提高測量精度[1]，運用高磁導率的非晶態合金作為磁芯[2][3]等。這些方法均可在一定程度上提高測量靈敏度，但實現方式主要依賴于增加卡鉗的體積與成本，以及不能解決電流卡鉗測試結果的非線性問題。為此，本文嘗試通過分析以非晶態合金為磁芯的電流卡鉗的阻抗特性，并測試了加低通濾波器前后的阻抗特性的變化，得到一種阻抗特性曲線的線性化方法。

1 基本原理

電流探頭采用互感器的原理，通過磁芯將初級被測電流耦合到次級再經過負載轉換為電壓進行測量，電流探頭的等效電路模型（如圖1所示）[4]。

圖1 電流探頭等效電路模型圖

圖2 傳輸阻抗的頻率特性曲線

其中

M：電流探頭與被測導線的互感；L1：穿過電流探頭的被測導線的自感；

L2：電流探頭繞線的自感；C2：分布電容；

r：繞線電阻；R：儀器內阻（一般為50Ω）；

V0：輸出電壓；Z：虛線框內的總阻抗。

表征電流探頭的技術指標主要有傳輸阻抗、傳輸阻抗的寬頻平坦度。傳輸阻抗Zt(ω)定義為輸出電壓與輸入電流之比，若忽略r和c，則傳輸阻抗大小為表達式(1)所示[4]，

從式(1)可發現：

2 電流卡鉗性能測試

本文采用鐵基非晶帶材均勻的繞制在非磁性骨架上，使其外徑R=2cm，內徑r=0.9cm。選用0.5mm漆包線繞制線圈繞30匝，作為探頭的二次側繞組。

圖3 電流卡鉗測試原理

用正弦信號源產生1-100kHz的頻率可調的信號，電流卡鉗將流經Ri的被測導線電流卡在磁環內，次級繞組輸出端接交流微伏表。使輸入電壓UiP-P=5.11V，改變信號源輸出頻率，用交流毫伏表測定輸入端電壓Ui和輸出端電壓Uo，測試數據如表1所示，用Matlab軟件把測試數據可視化后傳輸特性曲線如圖4所示。

表1 電流探頭傳輸阻抗實測結果

3 放大器設計

為了對低于的頻段進行補償，使傳輸阻抗在該頻段具有更好的線性度，采用R、C元器件與運放組成的音調控制器模型，對低頻、高頻部分提升，中頻部分保持0dB不變。其電路結構如圖5所示[5]，

圖4 傳輸阻抗Zt與被測信號頻率f的關系

圖5 放大電路

當f＜fL1（截止頻率）時，允許低頻信號通過；當fL1＜f＜fL2（轉折頻率）時，該濾波器對低頻信號進行提升。

此時電壓增相對于AVL下降17dB。

根據設計要求，要實現5-50kHz范圍內實現傳輸阻抗平坦度為±1dB，則音調控制器fL1=5kHz，fL2=50kHz。根據選擇R1=R2=R4=470Ω，RP1=4.7k，C1=0.01uF。

4 測試結果

此時電壓增AV1相對于AVL下降3dB。

4.1 放大器的頻響特性測試

將信號發生器所產生的信號接至低通濾波器的輸入端，用電源箱給LM324加±9V電源使其LM324得電工作，將輸出端Vo接到示波器中。使信號發生器給出的輸入電壓為840mV，保持其不變，調節出入電壓的頻率，觀察輸出電壓變化情況。

當頻率從5~50kHz變化時，記下對應的輸出電壓，并根據公式Av=Vo/Vi計算電壓增益的值，數據如表2，圖6所示

表2 頻率特性曲線測試數據

圖6 音頻控制器頻率特性曲線

4.2 傳輸阻抗特性曲線

用音調控制器接在圖3中的次級線圈與交流毫伏表之間對1-50kHz段頻率范圍進行補償，探頭傳輸阻抗與頻率的實測曲線如圖7所示。

圖7 傳輸阻抗Zt與頻率關系曲線

測試結果表明在輸入頻率為5~50kHz頻率范圍內傳輸阻抗隨頻率呈現遞增（該頻率范圍內，ΔZt=13.11dB）的非線性現象得到了線性化補償，滿足傳輸阻抗平坦度為±1dB的要求。

5 結論

對電流探頭的低頻段采用音調控制器對傳輸阻抗進行線性化補償，事實證明這是一種有效的補償方法，能成功擴展電流探頭低頻測試范圍。

[1] 陸文駿, 陸焱. 高精度鉗形表設計原理[J]. 電測與儀表, 1995(6):3-4.

[2] 劉榮. 非晶態合金在低頻干擾電流探頭中的應用[J]. 鋼鐵研究, 2001(6):27-30.

[3] 劉榮. 不同磁芯材料對電流探頭傳輸阻抗Z_t的影響[J]. 南京師范大學學報(工程技術版), 2004, 4(2):53-55.

[4]王添文, 丁永平, 楊寶山. 電流探頭分析設計[J]. 裝備環境工程, 2010, 07(3):85-87.

[5] 謝自美. 電子線路設計·實驗·測試-第3版[M]. 華中科技大學出版社, 2006.

Linear compensation method on Transfer Resistance of current probe

Zhu Weiling
(Zhejiang Normal University, Jinhua Zhejiang,321000)

The compensation method based on nonlinear amplifier is proposed. The Transfer Resistance properties of current probe is investigated under the condition that signalis lower than 50kHz. The experimental results show that the Transfer Resistance is changed linearly along with applied signal frequency.

current probe；amorphous alloy ferrite；Transfer Resistance；amplifier

朱偉玲（1977.04--），女，漢族，研究生，講師，主要研究方向是傳感與測量技術。