基于半波激勵(lì)的磁調(diào)制傳感器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王隆偉，王 鮮，馮則坤

（華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074）

基于半波激勵(lì)的磁調(diào)制傳感器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王隆偉，王 鮮*，馮則坤

（華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074）

基于磁調(diào)制傳感器的工作原理，創(chuàng)新性的提出了通過(guò)采用半波激勵(lì)信號(hào)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)雙磁芯磁調(diào)制傳感器的方法。傳統(tǒng)磁調(diào)制傳感器是在環(huán)形磁芯一次繞組中通以完整的方波、正弦波或鋸齒波作為激勵(lì)信號(hào)，然后提取磁芯二次繞組中感應(yīng)信號(hào)的二次諧波來(lái)對(duì)被測(cè)直流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的，此二次諧波反映被測(cè)直流信號(hào)的大小與方向。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若通以半波激勵(lì)，可反映被測(cè)直流信號(hào)的諧波由二次諧波變?yōu)橐淮沃C波，此時(shí)相敏檢波電路參考信號(hào)無(wú)需倍頻，因而在器件中可省去倍頻電路。分別采用方波、正弦波和鋸齒波及其相應(yīng)的半波作為激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，半波激勵(lì)可以獲得更為理想的檢測(cè)波形，能更好地反映被測(cè)電流的大小，提高傳感器的靈敏度。

磁調(diào)制；二次諧波；一次諧波；半波激勵(lì)

在電子電力設(shè)備中，時(shí)常需要對(duì)漏電流等微弱直流電流（多為mA級(jí)）進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)方法主要包括小電阻取樣、霍爾電流檢測(cè)法以及磁調(diào)制法等［1］。其中電阻取樣方法需要將采樣電阻接入電路回路中，對(duì)原有電路會(huì)產(chǎn)生一定的干擾；霍爾電流檢測(cè)法利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)直流電流檢測(cè)，但其受溫度變化影響大，產(chǎn)生干擾大，測(cè)量弱電流靈敏度比較低［2］；磁調(diào)制電流檢測(cè)法具有檢測(cè)的弱電流范圍寬、靈敏度高、高線性度等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)磁調(diào)制傳感器多使用倍頻磁調(diào)制方法，此方法是提取傳感器磁芯探頭中檢測(cè)端信號(hào)的二次諧波對(duì)被測(cè)直流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，此二次諧波可以反映被測(cè)直流信號(hào)的大小以及方向，對(duì)此二次諧波進(jìn)行直流整流，然后輸出直流信號(hào)。此方法之所以稱之為倍頻磁調(diào)制法，是由于在對(duì)二次諧波進(jìn)行整流鑒相的過(guò)程中，需要一個(gè)參考信號(hào)，此參考信號(hào)通常情況下由激勵(lì)源信號(hào)通過(guò)一個(gè)倍頻電路產(chǎn)生，以達(dá)到整流和鑒相的目的，因此稱為倍頻磁調(diào)制法。但使用此方法的磁調(diào)制直流傳感器的信號(hào)處理電路相對(duì)復(fù)雜，其主要信號(hào)處理電路包括：信號(hào)放大電路、帶通濾波器、倍頻電路、相敏檢波器以及低通濾波器等。同時(shí)傳感器的信號(hào)干擾比較大，因而有必要對(duì)磁調(diào)制傳感器的信號(hào)處理電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步改善其應(yīng)用特性［3-16］。

本文針對(duì)磁調(diào)制直流電流傳感器的原理進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，創(chuàng)新性的提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種電路簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。即通過(guò)改變激勵(lì)源信號(hào)使檢測(cè)信號(hào)由二次諧波轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮沃C波，而方法是簡(jiǎn)單的改變激勵(lì)源信號(hào)，將以往使用的激勵(lì)源信號(hào)如：方波、正弦波、鋸齒波等激勵(lì)源信號(hào)，由完整的波形變?yōu)榘敕讲?、半正弦波、半鋸齒波波形，將這些信號(hào)波作為激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)磁調(diào)制傳感器，可以達(dá)到使檢測(cè)信號(hào)由二次諧波轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮沃C波，因此在信號(hào)處理電路中可以省去倍頻電路，簡(jiǎn)化器件的信號(hào)處理電路，同時(shí)可消除倍頻電路對(duì)器件和激勵(lì)信號(hào)源的干擾，提高了器件的靈敏度。

1 典型磁調(diào)制傳感器的工作原理分析

圖1為傳統(tǒng)磁調(diào)制傳感器的工作原理圖。在一個(gè)環(huán)形磁芯（一般采用高磁導(dǎo)率、高矩形比和低矯頑力的鐵鎳合金磁芯）上分別繞有一、二次繞組，其中一次繞組W1為激勵(lì)繞組，繞線N1匝；二次繞組W2為檢測(cè)繞組，繞線N2匝。磁環(huán)的截面積為S，磁導(dǎo)率為μ，內(nèi)外徑分別為r1和r2，磁環(huán)的截面邊長(zhǎng)為a（實(shí)驗(yàn)中使用磁環(huán)的截面為正方形），I1為穿過(guò)磁芯中心的被測(cè)電流。

圖1 磁調(diào)制傳感器的工作原理

在一次繞組W1中通以交變激勵(lì)方波電流信號(hào)I2，當(dāng)被測(cè)電流I1為0時(shí)，檢測(cè)繞組中輸出信號(hào)只含有奇次諧波；而當(dāng)被測(cè)電流I1≠0時(shí)，根據(jù)周期函數(shù)的傅立葉級(jí)數(shù)變換，對(duì)方波進(jìn)行傅立葉變換得到：

式中：A為激勵(lì)方波的振幅，ω為角頻率，T為周期。

則產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度He可表示為：

H1為被測(cè)電流I1在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)激勵(lì)電流從0開(kāi)始增加時(shí)，磁芯工作在線性區(qū)，即圖2中-Hs＜H＜Hs時(shí)，可以認(rèn)為磁芯的磁導(dǎo)率μ是常數(shù)，如圖2所示。

圖2 磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)的變化曲線

圖3可以看出，方波激勵(lì)下對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率波形，磁導(dǎo)率的函數(shù)為周期為T(mén)/2的偶函數(shù)，其頻率為2ω。對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換得到：

u1為直流分量。

圖3 方波激勵(lì)下對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率波形

由式（2）和式（3）可得到檢測(cè)繞組W2的感應(yīng)電壓：

2 半方波激勵(lì)下的磁調(diào)制傳感器的數(shù)學(xué)分析

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)（5）式中的二次諧波進(jìn)行提取，其頻率為激勵(lì)頻率的兩倍，注意到提取二次諧波后需要進(jìn)行相敏檢波，而相敏檢波的參考信號(hào)必須與被檢測(cè)信號(hào)頻率同頻，因此需要建立一個(gè)二倍頻電路來(lái)產(chǎn)生二倍頻率參考信號(hào)；該倍頻電路不但會(huì)增加傳感器整體的功耗，并且會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改變激勵(lì)信號(hào)的波形可有效簡(jiǎn)化這一部分電路，方法是將激勵(lì)方波信號(hào)通過(guò)一個(gè)二極管，使激勵(lì)信號(hào)變?yōu)榘敕讲ㄐ盘?hào)（如圖4所示），可將二次繞組端需要提取的檢測(cè)信號(hào)由二次諧波變?yōu)橐淮沃C波，省去了倍頻電路。

圖4 半方波激勵(lì)信號(hào)的波形

對(duì)圖4所示的激勵(lì)波形進(jìn)行傅立葉變換：

則磁芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

再由圖4分析磁芯的磁導(dǎo)率變化波形，磁導(dǎo)率在半波激勵(lì)下的波形如圖5所示。此時(shí)的磁導(dǎo)率波形的角頻率為ω，周期為T(mén)，與激勵(lì)信號(hào)同頻。對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換：

圖5 半方波激勵(lì)下的磁導(dǎo)率波形

在實(shí)際應(yīng)用中，磁調(diào)制傳感器通常使用雙磁芯差動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在此結(jié)構(gòu)下，式（13）的第一項(xiàng)將被雙環(huán)抵消掉，第二項(xiàng)的大小變?yōu)?倍，提取第二項(xiàng)的一次諧波即可得到可以反映被測(cè)電流大小和方向的信號(hào)。因而，采用半方波激勵(lì)可以簡(jiǎn)化磁調(diào)制傳感器的結(jié)構(gòu)，且對(duì)原有電路的其他部分不需要進(jìn)行大的改動(dòng)。

圖6 實(shí)際應(yīng)用的雙磁芯差動(dòng)結(jié)構(gòu)磁調(diào)制傳感器工作原理

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述數(shù)學(xué)計(jì)算分析，采用圖6所示的雙磁芯差動(dòng)結(jié)構(gòu)磁調(diào)制傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在激勵(lì)端分別通入方波（圖7（a））與濾去方波正邊的半方波（圖7（c）），再將檢測(cè)繞組感應(yīng)電壓通入相應(yīng)的帶通濾波器后使用示波器分別觀察其波形。實(shí)驗(yàn)中使用的激勵(lì)頻率都為10.00 kHz，幅值為6.5 V，通入的電流為3.8 mA，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。在方波激勵(lì)下（圖7（a）），得到的檢測(cè)繞組20 kHz濾波后的波形（圖7（b））頻率為20 kHz，幅值為85 mV（最大點(diǎn)）；在半方波激勵(lì)下（圖7（c）），得到的檢測(cè)繞組10 kHz濾波后的波形如圖7（d）所示，其頻率為10.00 kHz，幅值為160 mV（最大點(diǎn)）。比較圖7（b）與圖7（d）的波形可以看出，方波激勵(lì)下檢測(cè)波形（圖7（b））并不規(guī)則，主要原因在于實(shí)際方波激勵(lì)無(wú)法達(dá)到真正的理想方波波形，存在一定的不對(duì)稱，其占空比與幅值都不可能完全相同；而半方波激勵(lì)下的波形（圖7（d））呈現(xiàn)較為理想的正弦波，且幅值比前者大一倍多，分析其原因?yàn)?，半方波波形較方波更為簡(jiǎn)單，波形越簡(jiǎn)單則其在電路中產(chǎn)生的干擾勢(shì)必也會(huì)更小。因此，采用半方波激勵(lì)，可以獲得比方波激勵(lì)更為理想的檢測(cè)波形，可以更好地反映被測(cè)電流的大小，提高了傳感器的靈敏度。

本文還對(duì)其他激勵(lì)信號(hào)，如正弦波和鋸齒波分別進(jìn)行了半波變化后作為激勵(lì)源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并獲得了相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)（實(shí)驗(yàn)中所使用的激勵(lì)源信號(hào)頻率均為10 kHz），如圖8與圖9所示，圖8（a）為半正弦波激勵(lì)信號(hào)作為傳感器激勵(lì)信號(hào)，可以得到頻率為10 kHZ反映被測(cè)直流信號(hào)大小和方向的一次諧波，圖9（a）為半鋸齒波激勵(lì)信號(hào)作為傳感器激勵(lì)信號(hào)，同樣可以得到頻率為10 kHZ反映被測(cè)直流信號(hào)大小和方向的一次諧波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用半正弦波和半鋸齒波激勵(lì)均可獲得較為理想的一次諧波檢測(cè)信號(hào)。

圖7 方波與半方波激勵(lì)下實(shí)驗(yàn)檢測(cè)波形圖

圖8 半正弦波及其檢測(cè)信號(hào)

圖9 半鋸齒波及其檢測(cè)信號(hào)

最后，將此一次諧波進(jìn)行整形放大后輸出，經(jīng)過(guò)測(cè)量可以得到的最小額定輸入電流為2 mA，額定輸出5 V，對(duì)比現(xiàn)有通用的額定輸出電壓為5 V的直流漏電流傳感器的最小額定輸入電流，得到表1。從表1可以看到傳感器靈敏度有所提高。

表1 最小額定輸入電流比較

5 結(jié)論

本文基于磁調(diào)制傳感器的工作原理，分析了方波與半方波激勵(lì)下檢測(cè)信號(hào)的波形數(shù)學(xué)表達(dá)式，提出了采用半波激勵(lì)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)雙磁芯差動(dòng)結(jié)構(gòu)磁調(diào)制傳感器電路的方法，并分別采用方波、正弦波和鋸齒波及其對(duì)應(yīng)半波作為激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用半波激勵(lì)可獲得頻率為一次諧波的檢測(cè)信號(hào)，由于對(duì)一次諧波進(jìn)行相敏檢波時(shí)，參考信號(hào)不需要做倍頻處理，所以傳感器的信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)，且可以減少倍頻電路產(chǎn)生的信號(hào)干擾，提高了器件的靈敏度。

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王隆偉（1990-），男，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院研究生，主要研究方向?yàn)殡娏鱾鞲衅?，m201371989@hust.edu.cn；

王 鮮（1978-），男，博士，現(xiàn)為華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)槲⒉ù艑W(xué)與磁電子技術(shù)，wangx@hust.edu.cn。

A Simplified Design and Experimental Verification of the Magnetic Modulation Sensor Based on Half Wave Excitation Signals

WANG Longwei，WANG Xian*，F(xiàn)ENG Zekun
（School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

On the basis of the working principle of magnetic modulation sensor，we proposed a method to simplify the magnetic modulation sensor with dual core differential structure by using a half wave excitation signal.Com?pared to those using full wave excitation signal，the signal in test port changes from second harmonic into fundamen?tal harmonic when using a half wave excitation signal.As a result，frequency multiplication circuit can be omitted since the

ignal frequency does not need to be doubled in Phase-sensitive detection circuit in this case.To verify the above design，full wave of square wave，sine wave，sawtooth wave and their half waves were used as the ex?citation signal in the experiment，respectively.The results show that all the half wave excitation signals can realize more symmetrical and ideal detection wave in comparison with the corresponding full wave signals.Therefore，half wave excitation is more conductive to measure the current and simultaneously increase the sensitivity of the magnet?ic modulation sensor.

magnetic modulation；second harmonic；fundamental harmonic；Half wave excitation signal

TP212.1

A

1004-1699（2015)10-1448-06

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.005

2015-04-17 修改日期：2015-07-28