基于時間差型磁通門的電流傳感器抗干擾研究

李菊萍，葉明盛，任浩，蔡艷蘭，王文武，劉莉娜

1.寧波中車時代傳感技術有限公司，浙江寧波 315021 2.湖南汽車工程職業學院，湖南株洲 412000

0 引言

工業和民用的許多場合需要用到電流傳感器，以監測電流和控制電動裝置。隨著技術發展，許多應用場合對測量精度提出了更高要求，尤其是漏電流測量領域[1-6]。準確快速地監測到漏電對消除漏電造成的安全隱患有重要意義。基于霍爾效應、聚磁阻抗效應、隨磁阻抗效應等物理效應的傳感器精度、穩定性和可靠性都無法滿足要求，因此，目前這些技術未普遍應用于漏電流測量領域。作為弱磁場測量的重要手段，磁通門電流傳感器具有精度高、分辨率高、靈敏度高、尺寸小和溫度漂移小等優點，因其優異的綜合性能，經常用于一些要求較高的場合，如地球和太空磁場測量、人造衛星和導彈姿態控制。日本富士公司在2011 年的“IEEE傳感器會議”上報道了基于遲滯時間差型磁通門的商用漏電電流檢測器[7]。

遲滯時間差型（Residence Times Difference，RTD）磁通門采用單鐵芯結構，對傳感器輸出信號峰值的時間差而非信號幅度進行檢測。相對傳統磁通門傳感器而言，RTD 磁通門體積減小，且不需考慮雙磁芯的聚磁、渦流及電磁參數的對稱性等問題，測量電路因避開了相敏檢波及積分等環節而得到簡化。針對遲滯時間差型磁通門傳感器的主要工作有剩余電流檢測[8]、模型[9-10]、噪聲[11-12]、時間差數據處理[13]等。

在漏電流檢測領域，需特別關注小電流檢測所需的靈敏度，及外界干擾對小電流檢測的影響。對于小電流傳感器，通常匝數較少，線圈端口需要釘針固定，而且鐵芯組件與PCB 也需要連接，釘針設計以及組件連接的可靠性、可制造性、產線量產問題導致實際線圈做不到理想均勻。實際應用中缺乏考慮線圈不均勻因素時傳感器各種設計參量與抗干擾性能的定量關系指導。目前已發表的關于磁通門的抗干擾文獻大多為關于羅盤的。

本文在對自激振蕩時間差磁通門電流傳感器進行理論推導的基礎上，分析了繞線不均勻對傳感器信號檢測的影響，抗干擾性能的影響因素，分析了傳感器設計參數、不均勻因素與抗干擾性能的定量關系，為自激振蕩時間差磁通門電流傳感器的優化設計提供重要參考。

1 工作原理

圖1 為RTD 型磁通門電流傳感器結構示意圖。被測電流im穿過環形鐵芯，在鐵芯內產生偏置磁場，繞有線圈的鐵芯與比較器相互作用，組成自振蕩電路。通過采樣電阻端電壓檢測鐵芯飽和情況，當該電壓達到閾值電壓時，比較器的輸出信號方向翻轉，使線圈端加載周期性自振蕩方波，鐵芯內產生周期性的磁場。當被測電流為0 時，自振蕩方波的高低電平持續時間相等。當被測電流不為0 時，在鐵芯內產生偏置磁場，從而正反向磁化不對稱，通過檢測高低電平時間差，即可實現對被測電流的測量。

理想鐵芯的磁化曲線如圖2 所示，Hs為飽和磁場強度，Bs為飽和磁感應強度。當鐵芯內磁場小于飽和磁場Hs時，磁導率為μ；當鐵芯內磁場大于飽和磁場時，鐵芯磁導率接近真空磁導率。圖3 為RTD 型磁通門電流傳感器工作原理示意圖。先考慮被測電流im為0 時的情況，如圖3 中的實線，當方波換向為正向高電平時，鐵芯還處于反向飽和狀態，電感遠小于電阻，因此電流變化很快，由反向最大值-ir快速降為-is，磁芯進入非飽和狀態，電感增大，線圈電流緩慢變化，當電流達到正向is時，鐵芯進入正向飽和，電感急劇減小，電流突變增大，當電流達到翻轉閾值is時，方波電壓換向，高低電平時間差相等。被測電流im不為0 的情況如圖3 中的虛線，達到鐵芯飽和時的電流分別為imin、imax（見下文），在激磁電壓的正半周期內，被測電流使磁芯滯后飽和，在激磁電壓的負半周期內，被測電流使磁芯提前飽和，高低電平時間差不相等。

根據圖1 工作電路，得到如下磁調制回路方程：

求解，得：

假定鐵芯飽和時，方波持續時間遠小于非飽和時方波持續時間，鐵芯內磁場等于Hs時，近似為方波翻轉時刻，磁芯正向飽和時：

磁芯反向飽和時：

式中，H和Hm分別為繞在鐵芯的線圈與被測電流在鐵芯內產生的磁場。由式（2）～（4）得高低電平持續時間分別為：

式中，xmin=imin/iR，xmax=imax/iR，iR=U/R，imin、imax分別為反向飽和與正向飽和時的線圈電流；imin+im=-is，imax+im=is，為未加被測電流時達到飽和所需的電流，im為被測電流。

令xm=im/iR，xs=is/iR，由式（5）～（6）得時間差輸出：

式中，xmax=(xs-xm)，xmin=(-xs-xm)。

考慮傳感器正常工作時條件，即保證電流可以正常翻轉，imin＞-iR，imax＜iR，因此要求被測電流滿足如下條件：

由式（5）～（7）分析可知，電阻與電感比值影響高低電平持續時間，但不影響時間差與周期比值，不影響輸出。隨著xs=is/iR=0.1～0.9 參數的改變，時間差與被測電流關系如圖4 所示。隨著被測電流增大，xm增大，時間差增大，可通過檢測時間差來測量被測電流。量程、靈敏度與參數xs有關。當鐵芯飽和磁場一定時，隨著方波激勵電壓與回路電阻之比iR=U/R減小，參數xs從0.1 增大到0.9，量程減小。考慮到xm=im/iR，對于同樣被測電流，隨著方波激勵電壓與回路電阻之比iR=U/R減小，參數xs從0.1 增大到0.9，由圖4 可知，斜率y/xm增大，靈敏度y/im=y/(xmiR)也增大。

2 繞線不均勻影響分析

考慮繞線不均時的情況，將磁芯分為1 和2 兩部分，如圖5所示。與均勻繞線相比，磁芯1匝數占比多了a，即等效匝數為n(1+a)/2，磁芯2 占比少了a，即等效匝數為n(1-a)/2，n為線圈總匝數。

同上文，假定鐵芯飽和時方波持續時間遠小于非飽和時方波持續時間，磁場等于Hs時近似為方波翻轉時刻，磁芯正向飽和時：

磁芯反向飽和時：

其中，H1和H2分別為繞在鐵芯的線圈在鐵芯1 部分與2 部分產生的磁場。用等效電流表示被測磁場與飽和磁場，令is=Hsl/n，im=Hml/n，換向時的線圈電流如下：

令xm=im/iR，xs=is/iR，xmax=imax/iR，xmin=imin/iR，得時間差輸出同式（7），但式（7）中的xmax、xmin需改為式（13）、式（14）：

考慮傳感器正常工作時條件，即保證電流可以正常翻轉，需滿足imin＞-iR，imax＜iR，因此，要求被測電流滿足如下條件：

根據式（7）、式（13）～（15）得到繞線不均時的傳感器輸出。當繞線不均勻參數a=0.1 時，隨著參數xs從0.1增大到0.8，傳感器的輸出時間差如圖6所示。與繞線均勻時規律一樣，隨著被測電流增大，時間差增大，隨著方波激勵電壓與回路電阻之比iR=U/R減小，量程減小，靈敏度增大。電阻與電感對輸出的影響也與繞線均勻時規律相同。比較式（8）與式（15），與繞線均勻情況相比，繞線不均時的量程減小。圖7 為繞線不均勻時與均勻時的輸出對比，參數xs分別為0.1和0.8，繞線不均勻參數a=0.1。從圖7 可以看出，繞線不均時的靈敏度增大，量程減小。

3 干擾影響分析

當存在外界磁場H0干擾時，為方便分析，假定被測電流為0。如果傳感器繞線均勻，即使存在外界干擾，但正反向磁化對稱，如圖8（a）所示，因此時間差輸出為0。由于傳感器實際實現時，不可能做到繞線完全均勻，當傳感器繞線不均勻時，正反向磁化不對稱，如圖8（b）所示，使輸出不為0。

分析外界干擾對輸出影響，同上文，假定鐵芯飽和時，方波持續時間遠小于非飽和時方波持續時間，磁場等于Hs時近似為方波翻轉時刻，磁芯正向飽和時：

磁芯反向飽和時：

其中，H1和H2分別為繞在鐵芯的線圈在鐵芯1 部分與2 部分產生的磁場。用等效電流表示外界干擾，i0=H0l/n，換向時的電流可能有以下情況：

換向時的最大最小電流與干擾相關。

當i0≤-isa時：

當-isa＜i0＜isa時：

當i0≥isa時：

考慮傳感器正常工作時條件，即保證電流可以正常翻轉，需滿足imin＞-iR，imax＜iR。

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

當x0≤-xsa，且x0＞-(1-a)+xs時：

當-xsa＜x0＜xsa，且-(1-a)+xs＜x0＜(1-a)-xs時：

當x0≥xsa，且x0＜(1-a)-xs時：

將式（23）～（25）代入式（7）可得不同參數xs時輸出隨干擾的變化，如圖9 所示。隨著外界干擾增大，輸出增大。在同樣的外界干擾時，隨著激勵電壓與回路電阻之比iR=U/R增大，參數xs=is/iR減小，參數x0=i0/iR也減小，由圖9 可知，干擾輸出幅值減小。增大iR時，雖然干擾對應的輸出減小，但被測電流對應的輸出也減小，需分析信噪比有無改善。

將不同參數xs時干擾的輸出時間差除以不同激勵電壓與回路電阻之比iR=U/R時的靈敏度，干擾轉化為等效被測電流xm，如圖10 所示。由圖10，x0=i0/iR，xm=im/iR可知，隨著參數xs=is/iR從0.8 減小到0.1，干擾對應的等效被測電流也減小，即當鐵芯飽和磁場一定時，在同樣的外界干擾下，隨著激勵電壓與回路電阻之比iR=U/R增大，等效被測電流減小，抗干擾能力增強。當激勵電壓與回路電阻之比iR=U/R減小時，隨著iR=U/R成倍增大，等效干擾電流也相應減小，抗干擾改善顯著。

4 結束語

本文對時間差磁通門電流傳感器進行了理論推導，分析了影響傳感器性能的因素，分析了繞線不均勻對傳感器信號檢測的影響，以及對抗干擾性能的影響因素，得到了傳感器設計參數、不均勻因素與抗干擾性能的定量關系，結論如下：

（1）量程與靈敏度相互影響。電阻與電感比值不影響傳感器靈敏度，而隨著方波電壓與電阻比值減小，量程減小，靈敏度增大；

（2）與繞線均勻相比，繞線不均時的靈敏度稍增大，量程稍減小；

（3）線圈均勻性、方波電壓與回路電阻比值影響抗干擾性能。減小干擾措施包括：使繞線盡量均勻，增大方波電壓與回路電阻比值；

（4）得到了傳感器設計參數、線圈不均勻因素與抗干擾性能的定量關系，對傳感器設計優化有重要參考作用。