多通道電流傳感器自動測試系統(tǒng)

李斌 孫向平 高金偉 付文帥 李越超 韓冰

摘 要：多通道電流傳感器自動測試系統(tǒng)可以根據(jù)測試需求，實現(xiàn)電流傳感器的比例誤差、上升時間、零點偏置、零點漂移、線性度等參數(shù)的自動測試。其中精密恒流源輸出可至200 A，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01%，多臺并聯(lián)可達(dá)到2 kA。覆蓋了大多數(shù)中低準(zhǔn)確度的測試需求，同時可配合準(zhǔn)確度高達(dá)10-6的標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器解決更高準(zhǔn)確度的測試需求。

關(guān)鍵詞：電流傳感器；自動測試；精密恒流源；比例誤差

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電流測量需求促使著電流傳感器行業(yè)日新月異，各種規(guī)格、類型的電流傳感器層出不窮，對測試設(shè)備的需求也越來越高[1]。在以往的電流傳感器生產(chǎn)/校準(zhǔn)過程中，每一項技術(shù)指標(biāo)都需要一套專用測試系統(tǒng)，復(fù)雜且效率低下，覆蓋能力較差[2-3]。針對上述問題，本文提出一種多通道電流傳感器自動測試系統(tǒng)，能夠自動測試傳感器的各項基本參數(shù)，保存數(shù)據(jù)，生成圖表。提高生產(chǎn)效率的同時能夠保證所有傳感器都經(jīng)過測試篩選，大大提升了生產(chǎn)的可靠性。

本測試系統(tǒng)主要測試項目有直流比例誤差、上升時間、電流響應(yīng)速度、零點偏置、零點漂移、線性度等。

1 測試系統(tǒng)組成

多通道電流傳感器自動測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，包括精密恒流源、橋式換向模塊及邏輯控制單元、標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器、傳感器供電及可編程負(fù)載陣列、多路復(fù)用器（MUX）、信號調(diào)理電路、高精度ADC、主控制器、數(shù)據(jù)處理及儲存模塊、通信模塊及人機交互模塊。

精密恒流源為數(shù)字/模擬雙閉環(huán)的程控電流源，為被測傳感器提供測試電流，同時可以并機或等安匝法以提高等效電流范圍[4]。橋式換向及邏輯控制模塊可以根據(jù)人機交互輸入信息改變被測電流傳感器的輸入電流方向。標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器為與被測電流傳感器比例一致、精度更高且有上級校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器，在精密恒流源準(zhǔn)確度與被測傳感器準(zhǔn)確度不滿足1/3關(guān)系時使用，作為比較測試法的主要標(biāo)準(zhǔn)。

測試系統(tǒng)具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示，直接測試法與比較測試法可以將比例誤差的測試范圍擴展到10-5[5-6]，覆蓋市面上絕大多數(shù)電流傳感器。

2 測試系統(tǒng)原理及測試方法

2.1 精密恒流源

精密恒流源模塊[7-11]采用磁通門電流傳感器作為輸出電流反饋，其原理框圖如圖2所示。市電經(jīng)過保險絲、共模濾波器等轉(zhuǎn)換為交流低壓，經(jīng)過整流濾波模塊成直流低壓給MOSFET供電，作為主功率輸出級。基準(zhǔn)電壓源為ADC、DAC提供穩(wěn)定的電壓參考信號；用戶界面的設(shè)定的電流值經(jīng)過微控制器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)值發(fā)送給DAC，DAC將該數(shù)值通過R2R結(jié)構(gòu)將基準(zhǔn)電壓源的電壓值分出具體電壓信號作為誤差比較模塊的參考信號，輸出大電流經(jīng)過傳感器等比例變換為小電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號經(jīng)過低通濾波及增益變換后進(jìn)入誤差比較模塊與參考信號進(jìn)行比較，誤差比較模塊輸出為一定增益的反極性的差模信號，該差模信號經(jīng)過濾波后作為功率MOSFET的柵極驅(qū)動信號，控制MOSFET的導(dǎo)通程度從而控制輸出電流大小。同時增益模塊的輸出信號進(jìn)入ADC模塊，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微控制器，實時監(jiān)測恒流源輸出電流大小。

2.2 多通道采集模塊

多通道數(shù)據(jù)采集模塊如圖3所示，包括負(fù)載電路陣列、MUX、全差分運算放大器、程控濾波器、8通道精密ADC、1通道高速ADC、SoC控制器、Webserver等。

可編程負(fù)載陣列經(jīng)過MUX切換到不同信號調(diào)理通道。輸入信號經(jīng)過增益可控的差分運放調(diào)節(jié)適合增益后進(jìn)入程控源濾波部分選擇凌特公司的LTC1594作為抗混疊濾波器件，濾波器帶寬小于fs/2采樣率，能有效抑制雜散的無用頻率信號，同時，由于有源濾波器擁有較高的輸入阻抗及較低的輸出阻抗，使得信號調(diào)理部分能更容易地驅(qū)動精密ADC。精密ADC選用ADI公司的LTC2380作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該ADC在30.5 sps時具有145 dB的動態(tài)范圍，滿足高精度的使用需求，同時內(nèi)部具有SINC1濾波器，在高速采集模式下可以抑制50/60 Hz供電干擾，進(jìn)一步保證轉(zhuǎn)換后信號的可靠性。ADC數(shù)據(jù)端與FPGA采用ADum2602作為隔離期間，該隔離保證可以將數(shù)字部分對地的影響降到很低，同時能保證SoC控制器的安全。

FPGA經(jīng)過ADC Driver邏輯控制ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時將數(shù)據(jù)經(jīng)過加窗進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，F(xiàn)FT轉(zhuǎn)換后的頻域數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步分析傳感器的噪聲頻譜。大量的數(shù)據(jù)經(jīng)過RAM緩存后通過AXI-4等高速總線傳輸?shù)絻?nèi)部的輕量級Linux系統(tǒng)中，當(dāng)客戶端鏈接時，內(nèi)建的Webserver能將這些數(shù)據(jù)顯示到客戶端界面上。根據(jù)交互界面的輸入可完成數(shù)據(jù)保存、圖表生成等功能。同時外擴高速串行計算機擴展總線標(biāo)準(zhǔn)（PCIe）接口、網(wǎng)口（Ethernet）等高速數(shù)據(jù)導(dǎo)入/到處接口及調(diào)試用的串口（RS232）。

2.3 直流比例誤差測試

2.3.1 直接測試法

對于0.05級及以下采用直接測試法，具體原理如圖3所示，恒流源輸出電流經(jīng)過換向模塊穿過電流傳感器回到恒流源，被測電流傳感器輸出經(jīng)過可編程負(fù)載陣列轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)整到ADC滿量程輸入范圍，微控制器控制ADC將該電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值，經(jīng)過式（1）換算可以直接得到傳感器的直流比例誤差。

2.3.2 比較測試法

對于0.05級及以上的電流傳感器，由于恒流源準(zhǔn)確度只有0.01%，直接測試法已不再適用，選擇與標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器做比較可以忽略電流源的影響，具體實現(xiàn)方式如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器與被測電流傳感器接入同一個一次電流中，二次電流相反方向的接入同一負(fù)載電阻，二次電流的差值經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)過信號調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換為具體數(shù)值。

2.4 上升時間及電流響應(yīng)速度

電流傳感器的上升時間及電流響應(yīng)速度采用脈沖恒流源法測試。脈沖恒流源[12-13]原理框圖如圖5所示，脈沖信號選用微控制器產(chǎn)生單脈沖，單脈沖進(jìn)入射頻MOSFET驅(qū)動器U1～Un，型號為DEIC420，DEIC420為高速CMOS驅(qū)動器，能為功率MOSFET提供峰值電流輸20 APeak的最大驅(qū)動能力。同時由米勒效應(yīng)與楞次定律可知，減小柵極驅(qū)動電阻、雜散電容能減小柵極信號的上升時間，因此Rg選用多只電阻并聯(lián)，旁路電容選用ESL小的鉭電容。為保證可靠穩(wěn)定，傳輸線選用同軸線，連接器選用N形連接器，測試夾具為定制的工裝。負(fù)載電阻RL為短路線，標(biāo)準(zhǔn)脈沖傳感器選用為PEARSON 4100高頻電流傳感器[14]，其峰值電流500 A，上升沿10 ns，可以作為脈沖電流源的標(biāo)準(zhǔn)器具在此使用。

2.5 零點偏置

零點偏置為傳感器一次測輸入為零時，二次側(cè)的輸出電流值，電流傳感器零點包括電零點、自發(fā)磁化及地磁變化等。具體測試框圖如圖6所示，傳感器供電電源為傳感器提供正常工作需要的電能，電流輸出型電流傳感器再選配合適的負(fù)載電阻，精密恒流源輸出設(shè)置為零，邏輯控制模塊控制橋式換向模塊中的4個功率MOSFET開路，此時電流母線內(nèi)的漏電流為納安級別，可忽略不計。負(fù)載電阻上測得的電壓值既是傳感器綜合零點偏置。

2.6 零點漂移

零點漂移為電流傳感器輸入為零時輸出信號每隔一段時間二次側(cè)輸出值偏離原指示值的最大偏差值與滿量程的百分比。在保證溫濕度幾乎不變的前提下，通過長時間記錄零點偏置的大小，取這段時間的最大值與最小值的差與時間的比值記為傳感器零點漂移。

2.7 線性度

3 上位機軟件設(shè)計

直接測試法的控制流程如圖8所示，導(dǎo)入測試模板后，測試系統(tǒng)根據(jù)模板設(shè)定測試項目、測試點、負(fù)載值及誤差限。給傳感器供電并加上負(fù)載，檢測到傳感器工作正常后進(jìn)入測試序列。

如果后續(xù)還有測試點，改變電源輸出值，讀取的傳感器輸出值與誤差限做比較，如果超差則彈出警告、停止恒流源輸出并讓客戶接入是否終止測系序列，如果選擇繼續(xù)測試，則將超差數(shù)據(jù)標(biāo)記并進(jìn)入下一步測試。如果測試過程中無超差，則根據(jù)測試序列循環(huán)調(diào)節(jié)電流源輸出值并記錄數(shù)據(jù)，完成后復(fù)位測試系統(tǒng)并保存測試報告，用戶可以根據(jù)測試條目從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)取數(shù)據(jù)行程各類圖表。

4 測試數(shù)據(jù)

4.1 精密恒流源校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

精密恒流源校準(zhǔn)證書數(shù)據(jù)如圖9所示，200 A量程內(nèi)設(shè)定值為100 A時，標(biāo)準(zhǔn)器正向測得實際值為100.000 6，反向測得實際值為100.002 6，最大相對誤差為0.003%，校準(zhǔn)不確定度為0.002%；200 A輸出時候標(biāo)準(zhǔn)器正向測得實際值為200.001 0，反向測得實際值為200.004 5，最大相對誤差為0.002%，校準(zhǔn)不確定度為0.001%，滿足10-5以內(nèi)電流傳感器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)源的技術(shù)需求。

4.3 HAH系列霍爾電流傳感器線性度誤差

圖10為HAH系列電壓輸出型霍爾電流傳感器線性度測試數(shù)據(jù)，橫軸為精密恒流源一次電流5匝穿入傳感器，傳感器輸出電壓經(jīng)過接入1 MΩ負(fù)載后多次重復(fù)測得的數(shù)據(jù)，線性度最差為0.2%。

5 結(jié)束語

本測試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及功能上滿足了電流傳感器的自動測試需求，同時極大地提高了電流傳感器生產(chǎn)效率，同時測試數(shù)據(jù)整理保存后可以后續(xù)核查，保證所有傳感器出廠都合格且有測試數(shù)據(jù)，極大提高了傳感器的可靠性。后續(xù)可以配合溫濕度控制箱還可以增加傳感器溫度系數(shù)、傳感器增益誤差隨溫度變化及零點偏置隨溫度變化等項目，使得電流傳感器自動測試系統(tǒng)功能更完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 和劭延，吳春會，田建君.電流傳感器技術(shù)綜述[J].電氣傳動，2018， 48（1）：65-75.

[2] 賈騰.直流大電流精確測量技術(shù)綜述[J].通信電源技術(shù)，2018， 035（5）：97-98.

[3] 邵海明，梁波，林飛鵬，等.國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎獲獎項目介紹國家直流大電流計量標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國計量，2014，000（3）：72-75.

[4] 高宇澄，趙偉，李凱特，等.用于等效測試大電流互感器抗干擾性能的非均勻纏繞線圈的設(shè)計方法[J].高電壓技術(shù)，2018，44（6）：2089-2096.

[5] LIN F，LIANG B，SHAO H，et al.Development of wide-band current transformer for precision measurement of highcurrent[C]. 2020 Conference on Precision Electromagnetic Measurements （CPEM 2020），2020.

[6] SHAO H，LIN F，BO L，et al.DC 5 kA current ratio standards based on series–parallel self-calibration DCCs[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2013， 62（11）：3093-3100.

[7] 周凱鋒.30 A高精度交直流恒流源的研制[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2002.

[8] 于勤芝.一種高精度直流恒流源的設(shè)計[J].實驗室研究與探索， 1997（6）：91-91.

[9] 張存凱.30A高穩(wěn)定度恒流源系統(tǒng)的研制[D].杭州：中國計量大學(xué)， 2016.

[10] 張存凱，李正坤，陳樂，等.多MOSFET并聯(lián)均流的高穩(wěn)定度恒流源研究[J].電測與儀表，2016（12）：81-86.

[11] 姜洪雨.一種新型高精度高溫度穩(wěn)定性恒流源研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（14）：3-5.

[12] 張郁.一種基于低頻補償?shù)拿}沖大電流測試方法研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[13] 于治國，馮莉，張繼昌.大電流脈沖恒流源[C].第三屆特種電源技術(shù)學(xué)術(shù)交流會，中國電源學(xué)會，中國電工技術(shù)學(xué)會，2006.

[14] PERASON CURRENT MONITOR MODEL 4100[R/OL]. https：//www.pemch.com/UploadFiles/attachment/4100.pdf

[15] 秦爽.多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué).

[16] 李艷軍，郭正剛，張志新，等.基于FPGA多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2007（26）：212-213.

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