非接觸式高精度AC電流檢測(cè)系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)和誤差分析

　　本文針對(duì)現(xiàn)有非接觸式AC電流檢測(cè)系統(tǒng)存在的精度不高、工藝復(fù)雜、傳感器位置存在限制等不足，將系統(tǒng)級(jí)比例測(cè)量法與鎖相放大技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了非接觸式高精度AC電流檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)克服了以上不足，系統(tǒng)分辨力達(dá)0.02mA，空間分辨力達(dá)1mm，可在以傳感器為中心、半徑為3cm的范圍內(nèi)對(duì)mA級(jí)的電流進(jìn)行有效檢測(cè)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)減少了對(duì)高性能傳感器的依賴性，著眼于測(cè)量電路本身進(jìn)行研究和改良，從而提高了檢測(cè)精度。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)除了滿足非接觸式高精度電流檢測(cè)場(chǎng)合的要求，更為電流密度成像系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　引言

　　近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的各種測(cè)量、控制等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合不僅提高了對(duì)微弱電流檢測(cè)的精度要求，也對(duì)檢測(cè)方式提出了新的要求[1]，因此非接觸式電流檢測(cè)系統(tǒng)以其不對(duì)被測(cè)電路造成影響的特點(diǎn)被應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中。

　　現(xiàn)有非接觸式微弱電流檢測(cè)系統(tǒng)通常存在以下不足：檢測(cè)精度不夠高，現(xiàn)有非接觸式電流檢測(cè)系統(tǒng)通常只適用于大電流的檢測(cè)，只有基于電流互感器的特殊磁芯電流傳感器(如FeCuNbSiB單納米晶磁芯[2])可實(shí)現(xiàn)mA級(jí)電流的檢測(cè);工藝復(fù)雜，通常使用特殊材料制成的傳感器[3];傳感器位置存在限制，通常要求待測(cè)導(dǎo)體穿過(guò)傳感器的中心，因此具有一定的使用局限性[4]。本文設(shè)計(jì)的非接觸式高精度AC電流檢測(cè)系統(tǒng)[5]，克服了以上不足，系統(tǒng)分辨力達(dá)0.02mA，空間分辨力達(dá)1mm，可在以傳感器為中心、半徑為3cm的范圍內(nèi)對(duì)mA級(jí)的電流進(jìn)行有效檢測(cè)。

　　本設(shè)計(jì)減少了對(duì)高性能傳感器的依賴性，著眼于測(cè)量電路本身進(jìn)行研究和改良，從而提高檢測(cè)精度。采用了鎖相放大技術(shù)，在特定頻率參考信號(hào)的輔助下，可將待測(cè)微弱電流信號(hào)從大量噪聲中提取出來(lái);采用了比例測(cè)量方法，從而減小參考信號(hào)幅值波動(dòng)及ADC基準(zhǔn)電壓波動(dòng)引入的測(cè)量誤差;采用了自制空心線圈作為傳感器，避免了鐵芯的飽和及磁滯現(xiàn)象，也不需采用特殊磁芯材料，同時(shí)待測(cè)導(dǎo)體不需穿過(guò)檢測(cè)線圈，放寬了檢測(cè)位置的限制。本文闡述了設(shè)計(jì)的高精度AC電流檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，采用該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了較好的測(cè)量結(jié)果，最后分析了造成測(cè)量誤差的主要原因。

　　非接觸式高精度AC電流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)工作原理

　　設(shè)計(jì)的非接觸式交流微弱電流檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，感應(yīng)線圈將待檢測(cè)的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該微弱電壓信號(hào)在前置信號(hào)處理電路中被放大和濾波后輸入模擬乘法器。參考信號(hào)單元生成與待測(cè)電流頻率相同的參考信號(hào)，分為兩路：一路輸入模擬乘法器，一路經(jīng)精密整流電路變換為直流信號(hào)為ADC提供參考電壓。經(jīng)過(guò)乘法器和ADC，待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相乘，交流信號(hào)被濾除，直流信號(hào)被采樣并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)在控制單元控制下進(jìn)行輸出、保存和顯示。實(shí)際測(cè)量示意圖如圖2所示。