一種基于磁調(diào)制的直流漏電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種于磁調(diào)制的直流漏電流傳感器，用于對(duì)直流絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有良好的性能，所述直流漏電流傳感器包括振蕩電路、二極管、雙磁芯差動(dòng)單元、第一濾波器、儀用放大器、相敏檢波器和第二濾波器；本發(fā)明的直流漏電流傳感器采用半波激勵(lì)，與傳統(tǒng)的傳感器相比，省略了用于產(chǎn)生相敏檢波器參考信號(hào)的倍頻電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，減少了干擾，降低了成本，并具有靈敏度高的特點(diǎn)。
【專利說明】一種基于磁調(diào)制的直流漏電流傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子電力設(shè)備的絕緣監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于磁調(diào)制的直流漏電傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]在電子電力設(shè)備中，需要對(duì)直流絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止漏電，以保護(hù)電子設(shè)備以及人身安全。目前多采用直流漏電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有技術(shù)的直流漏電流傳感器主要基于磁調(diào)制原理，在高磁導(dǎo)的環(huán)形磁芯上繞以線圈，在一次線圈中通以激勵(lì)信號(hào)，對(duì)磁芯進(jìn)行激磁，被檢測(cè)直流電流穿過磁芯中心。被測(cè)直流信號(hào)為零時(shí)，二次線圈的感應(yīng)電壓為波形對(duì)稱的電壓信號(hào)；被測(cè)直流電流信號(hào)不為零時(shí)，被測(cè)直流電流信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使磁芯中的磁場(chǎng)發(fā)生偏磁，使二次線圈的感應(yīng)電壓波形發(fā)生變化，原本對(duì)稱的感應(yīng)電壓信號(hào)變得不對(duì)稱，處理這一不對(duì)稱信號(hào)可以得到反映被測(cè)直流信號(hào)大小和相位的檢測(cè)信號(hào)。通常處理這一信號(hào)的電路包括帶通濾波、相敏檢波、倍頻電路和低通濾波等電路，截取感應(yīng)電壓信號(hào)的二次諧波，對(duì)所截取的二次諧波進(jìn)行直流整流輸出直流信號(hào)?，F(xiàn)有的使用這一技術(shù)的直流漏電流傳感器可以得到較好的測(cè)量效果，但是其信號(hào)處理電路復(fù)雜，干擾較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于磁調(diào)制的直流漏電流傳感器，其目的在于采用半波激勵(lì)，簡(jiǎn)化現(xiàn)有磁調(diào)制直流漏電流傳感器的信號(hào)處理電路，由此解決現(xiàn)有技術(shù)的直流漏電流傳感器信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干擾較大的問題。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于磁調(diào)制的直流漏電流傳感器，所述直流漏電流傳感器包括振蕩電路、二極管、雙磁芯差動(dòng)單元、第一濾波器、儀用放大器、相敏檢波器和第二濾波器；
[0005]所述振蕩電路第一輸出端連接二極管輸入端，二極管的輸出端連接雙磁芯差動(dòng)單元的輸入端，第一濾波器的輸入端連接雙磁芯差動(dòng)單元的輸出端；儀用放大器的輸入端連接第一濾波器的輸出端；相敏檢波器的第一輸入端連接儀用放大器的輸出端，相敏檢波器的參考端連接振蕩電路第二輸出端；相敏檢波電路的輸出端連接第二濾波器的輸入端，第二濾波器的輸出端作為所述直流漏電流傳感器的直流輸出端口；
[0006]所述振蕩電路的第一輸出端輸出的波形信號(hào)，經(jīng)過二極管整形后獲得半波；所述振蕩電路的第二輸出端輸出的波形信號(hào)用作所述相敏檢波器的參考信號(hào)，所述參考信號(hào)的頻率與相敏檢波器的輸入信號(hào)的頻率相同。
[0007]所述半波作為激勵(lì)信號(hào)通入雙磁芯差動(dòng)單元對(duì)磁芯進(jìn)行激磁；待測(cè)導(dǎo)線穿過雙磁芯差動(dòng)單元，雙磁芯差動(dòng)單元生成檢測(cè)信號(hào)輸出到第一濾波器；
[0008]所述第一濾波器用于對(duì)所述檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，輸出基頻信號(hào)，所述基頻指振蕩電路輸出信號(hào)的頻率；
[0009]所述儀用放大器對(duì)所述基頻信號(hào)進(jìn)行放大，并降低噪聲干擾；
[0010]所述相敏檢波器對(duì)放大后的基頻信號(hào)進(jìn)行檢波；相敏檢波器的參考信號(hào)由振蕩電路直接提供，省略了參考信號(hào)生成電路，避免了參考信號(hào)產(chǎn)生電路工作時(shí)對(duì)直流漏電流傳感器的干擾；
[0011]所述第二濾波器用于對(duì)相敏檢波器輸出的信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，輸出直流信號(hào)。
[0012]優(yōu)選的，所述雙磁芯差動(dòng)單元包括第一磁芯、第二磁芯、一次繞組線圈和二次繞組線圈；一次繞組線圈反串環(huán)繞在第一磁芯和第二磁芯上，二次繞組正串環(huán)繞在第一磁芯和第二磁芯上；
[0013]所述一次繞組線圈的輸入端作為雙磁芯差動(dòng)單元的輸入端，連接二極管的輸出端；一次繞組線圈的輸出端接地；二次繞組的一端接地，另一端作為雙磁芯差動(dòng)單元的輸出端，輸出感應(yīng)電壓接入到第一濾波器。
[0014]優(yōu)選的，所述相敏檢波器包括依次連接的過零比較器、電子開關(guān)電路和正反相比例運(yùn)算放大器。
[0015]優(yōu)選的，所述相敏檢波器電子開關(guān)電路斷開時(shí)，所述相敏檢波器為反相比例運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相位相反；所述開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，相敏檢波器為正相比例運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相位相同；達(dá)到對(duì)輸入的基頻信號(hào)進(jìn)行檢波的作用。
[0016]優(yōu)選的，所述振蕩電路為方波振蕩電路、正弦波振蕩電路和鋸齒波振蕩電路中的任一種。
[0017]優(yōu)選的，所述第一濾波器為帶通濾波器或低通濾波器。
[0018]優(yōu)選的，所述第一濾波器為四階巴特沃思帶通濾波器。
[0019]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0020](I)由于本發(fā)明采用半波激勵(lì)，使得相敏檢波器的輸入信號(hào)正好與振蕩電路的輸出信號(hào)同頻，而相敏檢波器恰好需要一個(gè)與其輸入信號(hào)同頻的參考信號(hào)以保證其檢波，因此相敏檢波器的參考信號(hào)可由振蕩電路直接提供，從而省略倍頻電路等參考信號(hào)產(chǎn)生電路，避免參考信號(hào)產(chǎn)生電路工作時(shí)對(duì)傳感器的干擾，達(dá)到降低干擾，提高靈敏度的作用，還可降低傳感器成本；
[0021](2) 二次繞組線圈輸出端的檢測(cè)信號(hào)在經(jīng)過第一濾波器后得到的基頻信號(hào)幅值大，在經(jīng)過儀用放大器放大后，更易于檢出，提高了傳感器的靈敏度；
[0022](3)由于本發(fā)明采用半波激勵(lì)，在半波激勵(lì)下，檢測(cè)信號(hào)濾波頻率為基波頻率，對(duì)于基波利用相應(yīng)頻率的低通濾波器也可以達(dá)到濾波效果，因此在本發(fā)明的優(yōu)選方案里，第一濾波器采用低通濾波器，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路并降低成本；
[0023](4)本發(fā)明優(yōu)選方案里的儀用放大器電路具有很高的共模抑制比，利用其高共模抑制比將基頻信號(hào)從噪聲中分離出來，放大基頻信號(hào)的同時(shí)降低噪聲，提高了傳感器的靈敏度；
[0024](5)在本發(fā)明的優(yōu)選方案里，振蕩電路可靈活選用正弦波振蕩電路、鋸齒波振蕩電路和方波振蕩電路中的任一種；采用正弦波振蕩電路時(shí)，正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路成本低；采用鋸齒波振蕩電路利于電路的故障分析；采用方波振蕩電路時(shí)，產(chǎn)生的方波經(jīng)過二極管后得到半方波，半方波作為磁芯的激勵(lì)可以得到較好的靈敏度；
[0025](6)本發(fā)明的優(yōu)選方案采用四階巴特沃思帶通濾波器作為第一濾波器，由于四階巴特沃思帶通濾波器總增益是各級(jí)增益的乘積，因此總的幅頻響應(yīng)曲線消除了峰值，使得四階電路幅頻響應(yīng)的平坦部分得到擴(kuò)展，選擇其作為濾波電路可以對(duì)檢測(cè)信號(hào)在基頻范圍內(nèi)較好的濾除雜波。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明直流漏電流傳感器實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的相敏檢波器的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例的直流漏電流傳感器基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括方波振蕩電路1、二極管2、一次繞組線圈8、二次繞組線圈9、兩個(gè)磁芯、帶通濾波器3、儀用放大器4、相敏檢波器5、低通濾波器6 ;—次繞組線圈8反串環(huán)繞在磁芯上，二次繞組線圈9正串環(huán)繞在磁芯上。
[0030]本發(fā)明實(shí)施例的振蕩電路可以采用方波振蕩電路、正弦波振蕩電路和鋸齒波振蕩電路中的任一種，當(dāng)振蕩電路為方波振蕩電路時(shí)，方波振蕩電路I的第一輸出端輸出的方波信號(hào)，經(jīng)過二極管2整形后獲得半方波；將此半方波作為激勵(lì)信號(hào)接入一次繞組線圈8對(duì)兩磁芯進(jìn)行激磁；同時(shí)，方波振蕩電路I第二輸出端輸出的方波信號(hào)還為相敏檢波器5提供參考信號(hào)。
[0031]待測(cè)信號(hào)I1穿過磁芯，當(dāng)I 零時(shí)，二次繞組線圈9兩端無感應(yīng)電壓；當(dāng)I i不為零時(shí)，被測(cè)信號(hào)^產(chǎn)生偏磁，在二次繞組線圈9中生成感應(yīng)電壓，所述感應(yīng)電壓作為檢測(cè)信號(hào)，接入到帶通濾波器3進(jìn)行基頻濾波，輸出基頻信號(hào)；基頻信號(hào)輸入到儀用放大器4進(jìn)行放大，同時(shí)降低噪聲；放大后的基頻信號(hào)通入相敏檢波器5，相敏檢波器5采用方波振蕩電路I產(chǎn)生的方波信號(hào)作為參考信號(hào)，對(duì)基頻信號(hào)進(jìn)行檢波，輸出檢波信號(hào)進(jìn)入低通濾波器6進(jìn)行平滑濾波得到直流信號(hào)。
[0032]由于相敏檢波器5需要一個(gè)與輸入信號(hào)同頻的參考信號(hào)以保證其正常檢波，而本發(fā)明采用半波激勵(lì)雙磁芯差動(dòng)單元，使得相敏檢波器5的輸入信號(hào)正好與方波振蕩電路I的輸出信號(hào)同頻，因此相敏檢波器5的參考信號(hào)可由方波振蕩電路I直接提供，從而省略倍頻電路等參考信號(hào)產(chǎn)生電路，避免參考信號(hào)產(chǎn)生電路工作時(shí)對(duì)傳感器的干擾，達(dá)到降低干擾，提高靈敏度的作用，還可降低傳感器成本。
[0033]本實(shí)施例的直流漏電流傳感器處理檢測(cè)信號(hào)，將檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、檢波和平滑濾波，獲取直流信號(hào)；各單元電路以及單元電路之間的匹配，使得本傳感器在保證很好的測(cè)量效果的同時(shí)，還簡(jiǎn)化了信號(hào)處理電路，降低了干擾，提高了靈敏度。
[0034]本實(shí)施例中第一濾波器采用帶通濾波器3，其作用是對(duì)雙磁芯二次繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓進(jìn)行濾波，輸出基頻信號(hào)；基頻指的是方波信號(hào)的頻率。優(yōu)選的，本實(shí)施例采用的帶通濾波器為四階巴特沃思帶通濾波器，前半部分為低通濾波器，后半部分為高通濾波器；四階巴特沃思帶通濾波器的在通頻帶的頻率響應(yīng)曲線平滑，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零；其總增益是各級(jí)增益的乘積，因此總的幅頻響應(yīng)曲線消除了峰值使四階電路幅頻響應(yīng)的平坦部分得到擴(kuò)展；選擇其作為濾波電路可以在基頻范圍內(nèi)很好的濾除雜波。
[0035]本實(shí)施例中的帶通濾波器3可以用低通濾波器代替，原因在于本發(fā)明提出的半波激勵(lì)使得檢測(cè)信號(hào)濾波頻率為基波頻率，對(duì)于基波利用相應(yīng)頻率的低通濾波器也可以達(dá)到濾波效果，采用低通濾波器則可進(jìn)一步降低成本。
[0036]本實(shí)施例的儀用放大器采用運(yùn)算放大器LM324AD實(shí)現(xiàn)，用于對(duì)第一濾波器輸出的基頻信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)降低噪聲干擾。
[0037]相敏檢波器是磁調(diào)制式傳感器的關(guān)鍵部分，其作用是對(duì)放大后的基頻信號(hào)進(jìn)行檢波。圖2示出了本實(shí)施例的相敏檢波器5的電路圖，圖2中放大器B、濾波電容ClO和限流電阻R31構(gòu)成過零比較器；二極管D1、限流電阻R32和場(chǎng)效應(yīng)管Ql構(gòu)成電子開關(guān)電路；放大器A、限流電阻R23、R24和反饋電阻R25、R26構(gòu)成正反比例運(yùn)算放大器；
[0038]圖2中，A3端口為相敏檢波器的輸入端，與儀用放大器的輸出端連接；本實(shí)施例中，相敏檢波器的輸入信號(hào)頻率為基頻，與方波振蕩電路I的輸出信號(hào)同頻；A4端口為相敏檢波器的參考信號(hào)輸入端，連接方波振蕩電路I的第二輸出口，將方波振蕩電路產(chǎn)生的方波信號(hào)用作相敏檢波器的參考信號(hào)；A5端口為相敏檢波器的信號(hào)輸出端，連接第二濾波器;
[0039]相敏檢波器的工作過程具體為:當(dāng)二極管Dl正極的控制電壓為高電平時(shí)，二極管Dl截止，場(chǎng)效應(yīng)管Ql柵極G為低電平，開關(guān)管截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，此時(shí)相敏檢波器為反相比例運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相位相反；當(dāng)二極管Dl正極控制電壓為低電平時(shí)，二極管Dl導(dǎo)通，開關(guān)管Ql柵極G為高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)接通，此時(shí)，相敏檢波器為同相比例運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相位相同，達(dá)到檢波作用。
[0040]本實(shí)施例的第二濾波器采用低通濾波器，用于對(duì)相敏檢波器輸出的檢波信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，最終獲取直流信號(hào)；其輸出端口為直流信號(hào)輸出端口。
[0041 ] 本實(shí)施例中的方波振蕩電路可用正弦波振蕩電路或鋸齒波振蕩電路代替，可由用戶根據(jù)需求選擇；采用正弦波振蕩電路時(shí)，正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路成本低；采用鋸齒波振蕩電路利于電路的故障分析；采用方波振蕩電路時(shí)，產(chǎn)生的方波經(jīng)過二極管后得到的是半方波，半方波作為磁芯的激勵(lì)可以得到較好的靈敏度
[0042]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于磁調(diào)制的直流漏電流傳感器，其特征在于，所述直流漏電流傳感器包括振蕩電路、二極管、雙磁芯差動(dòng)單元、第一濾波器、儀用放大器、相敏檢波器和第二濾波器； 所述振蕩電路第一輸出端連接二極管輸入端，二極管的輸出端連接雙磁芯差動(dòng)單元的輸入端，第一濾波器的輸入端連接雙磁芯差動(dòng)單元的輸出端；儀用放大器的輸入端連接第一濾波器的輸出端；相敏檢波器的第一輸入端連接儀用放大器的輸出端，相敏檢波器的參考端連接振蕩電路第二輸出端；相敏檢波電路的輸出端連接第二濾波器的輸入端，第二濾波器的輸出端作為所述直流漏電流傳感器的直流輸出端口； 所述振蕩電路的第一輸出端輸出的波形信號(hào)，經(jīng)過二極管整形后獲得半波；所述振蕩電路的第二輸出端輸出的波形信號(hào)用作所述相敏檢波器的參考信號(hào)，所述參考信號(hào)的頻率與相敏檢波器的輸入信號(hào)的頻率相同。
2.如權(quán)利要求1所述的直流漏電流傳感器，其特征在于，所述雙磁芯差動(dòng)單元包括第一磁芯、第二磁芯、一次繞組線圈和二次繞組線圈；一次繞組線圈反串環(huán)繞在第一磁芯和第二磁芯上，二次繞組線圈正串環(huán)繞在第一磁芯和第二磁芯上； 所述一次繞組線圈的輸入端作為雙磁芯差動(dòng)單元的輸入端，連接二極管的輸出端；一次繞組線圈的輸出端接地；二次繞組的一端接地，另一端作為雙磁芯差動(dòng)單元的輸出端，輸出感應(yīng)電壓接入到第一濾波器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的直流漏電傳感器，其特征在于，所述相敏檢波器包括依次連接的過零比較器、電子開關(guān)電路和正反相比例運(yùn)算放大器。
4.如權(quán)利要求3所述的直流漏電傳感器，其特征在于，所述電子開關(guān)斷開時(shí)，所述相敏檢波器為反相比例運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相位相反；所述開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，相敏檢波器為正相比例運(yùn)算放大器，輸入與輸出信號(hào)相位相同；達(dá)到對(duì)輸入的基頻信號(hào)進(jìn)行檢波的作用。
5.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的直流漏電流傳感器，其特征在于，所述振蕩電路為方波振蕩電路、正弦波振蕩電路和鋸齒波振蕩電路中的任一種。
6.如權(quán)利要求1或2所述的直流漏電流傳感器，其特征在于，所述第一濾波器為帶通濾波器或低通濾波器。
7.如權(quán)利要求1或2所述的直流漏電流傳感器，其特征在于，所述第一濾波器為四階巴特沃思帶通濾波器。
【文檔編號(hào)】G01R31/02GK104515931SQ201410836627
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】王隆偉, 王鮮, 馮則坤, 聶彥 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)