電流卡鉗傳輸阻抗的線性補(bǔ)償

朱偉玲

（浙江師范大學(xué)，浙江金華，321000）

電流卡鉗傳輸阻抗的線性補(bǔ)償

朱偉玲

（浙江師范大學(xué)，浙江金華，321000）

為了擴(kuò)展電流卡鉗的頻率測(cè)試范圍，根據(jù)其等效電路模型，分析并測(cè)試了傳輸阻抗特性，發(fā)現(xiàn)了傳輸阻抗在頻率范圍內(nèi)的非線性現(xiàn)象，進(jìn)而提出了基于放大器的線性補(bǔ)償方法。通過測(cè)試結(jié)果表明，在1-50kHz的被測(cè)信號(hào)情況下，匹配了放大器的電流探頭的傳輸阻抗的波動(dòng)范圍≤±1dB。因而，利用這一補(bǔ)償方法，可以給單片機(jī)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換成被測(cè)電流值帶來方便。

電流卡鉗;非晶態(tài)合金;傳輸阻抗;放大器

0 引言

電流卡鉗（亦稱電流探頭、電流鉗形表）因其無需串聯(lián)到被測(cè)電路中，通過互感器耦合方式測(cè)量的特點(diǎn)，大量應(yīng)用于科研生產(chǎn)和檢修測(cè)試當(dāng)中。然而，傳統(tǒng)的電流卡鉗受磁芯材料的限制電磁感應(yīng)耦合頻率敏感性較大，在低頻范圍內(nèi)耦合系數(shù)小，這在很大程度上制約了電流卡鉗測(cè)試特性的線性度。目前，針對(duì)低頻測(cè)量的研究已有相應(yīng)的研究成果。例如在電流卡鉗中用兩個(gè)探頭提高測(cè)量精度[1]，運(yùn)用高磁導(dǎo)率的非晶態(tài)合金作為磁芯[2][3]等。這些方法均可在一定程度上提高測(cè)量靈敏度，但實(shí)現(xiàn)方式主要依賴于增加卡鉗的體積與成本，以及不能解決電流卡鉗測(cè)試結(jié)果的非線性問題。為此，本文嘗試通過分析以非晶態(tài)合金為磁芯的電流卡鉗的阻抗特性，并測(cè)試了加低通濾波器前后的阻抗特性的變化，得到一種阻抗特性曲線的線性化方法。

1 基本原理

電流探頭采用互感器的原理，通過磁芯將初級(jí)被測(cè)電流耦合到次級(jí)再經(jīng)過負(fù)載轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量，電流探頭的等效電路模型（如圖1所示）[4]。

圖1 電流探頭等效電路模型圖

圖2 傳輸阻抗的頻率特性曲線

其中

M：電流探頭與被測(cè)導(dǎo)線的互感；L1：穿過電流探頭的被測(cè)導(dǎo)線的自感；

L2：電流探頭繞線的自感；C2：分布電容；

r：繞線電阻；R：儀器內(nèi)阻（一般為50Ω）；

V0：輸出電壓；Z：虛線框內(nèi)的總阻抗。

表征電流探頭的技術(shù)指標(biāo)主要有傳輸阻抗、傳輸阻抗的寬頻平坦度。傳輸阻抗Zt(ω)定義為輸出電壓與輸入電流之比，若忽略r和c，則傳輸阻抗大小為表達(dá)式(1)所示[4]，

從式(1)可發(fā)現(xiàn)：

2 電流卡鉗性能測(cè)試

本文采用鐵基非晶帶材均勻的繞制在非磁性骨架上，使其外徑R=2cm，內(nèi)徑r=0.9cm。選用0.5mm漆包線繞制線圈繞30匝，作為探頭的二次側(cè)繞組。

圖3 電流卡鉗測(cè)試原理

用正弦信號(hào)源產(chǎn)生1-100kHz的頻率可調(diào)的信號(hào)，電流卡鉗將流經(jīng)Ri的被測(cè)導(dǎo)線電流卡在磁環(huán)內(nèi)，次級(jí)繞組輸出端接交流微伏表。使輸入電壓UiP-P=5.11V，改變信號(hào)源輸出頻率，用交流毫伏表測(cè)定輸入端電壓Ui和輸出端電壓Uo，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，用Matlab軟件把測(cè)試數(shù)據(jù)可視化后傳輸特性曲線如圖4所示。

表1 電流探頭傳輸阻抗實(shí)測(cè)結(jié)果

3 放大器設(shè)計(jì)

為了對(duì)低于的頻段進(jìn)行補(bǔ)償，使傳輸阻抗在該頻段具有更好的線性度，采用R、C元器件與運(yùn)放組成的音調(diào)控制器模型，對(duì)低頻、高頻部分提升，中頻部分保持0dB不變。其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示[5]，

圖4 傳輸阻抗Zt與被測(cè)信號(hào)頻率f的關(guān)系

圖5 放大電路

當(dāng)f＜fL1（截止頻率）時(shí)，允許低頻信號(hào)通過；當(dāng)fL1＜f＜fL2（轉(zhuǎn)折頻率）時(shí)，該濾波器對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行提升。

此時(shí)電壓增相對(duì)于AVL下降17dB。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要實(shí)現(xiàn)5-50kHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸阻抗平坦度為±1dB，則音調(diào)控制器fL1=5kHz，fL2=50kHz。根據(jù)選擇R1=R2=R4=470Ω，RP1=4.7k，C1=0.01uF。

4 測(cè)試結(jié)果

此時(shí)電壓增AV1相對(duì)于AVL下降3dB。

4.1 放大器的頻響特性測(cè)試

將信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)接至低通濾波器的輸入端，用電源箱給LM324加±9V電源使其LM324得電工作，將輸出端Vo接到示波器中。使信號(hào)發(fā)生器給出的輸入電壓為840mV，保持其不變，調(diào)節(jié)出入電壓的頻率，觀察輸出電壓變化情況。

當(dāng)頻率從5~50kHz變化時(shí)，記下對(duì)應(yīng)的輸出電壓，并根據(jù)公式Av=Vo/Vi計(jì)算電壓增益的值，數(shù)據(jù)如表2，圖6所示

表2 頻率特性曲線測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 音頻控制器頻率特性曲線

4.2 傳輸阻抗特性曲線

用音調(diào)控制器接在圖3中的次級(jí)線圈與交流毫伏表之間對(duì)1-50kHz段頻率范圍進(jìn)行補(bǔ)償，探頭傳輸阻抗與頻率的實(shí)測(cè)曲線如圖7所示。

圖7 傳輸阻抗Zt與頻率關(guān)系曲線

測(cè)試結(jié)果表明在輸入頻率為5~50kHz頻率范圍內(nèi)傳輸阻抗隨頻率呈現(xiàn)遞增（該頻率范圍內(nèi)，ΔZt=13.11dB）的非線性現(xiàn)象得到了線性化補(bǔ)償，滿足傳輸阻抗平坦度為±1dB的要求。

5 結(jié)論

對(duì)電流探頭的低頻段采用音調(diào)控制器對(duì)傳輸阻抗進(jìn)行線性化補(bǔ)償，事實(shí)證明這是一種有效的補(bǔ)償方法，能成功擴(kuò)展電流探頭低頻測(cè)試范圍。

[1] 陸文駿, 陸焱. 高精度鉗形表設(shè)計(jì)原理[J]. 電測(cè)與儀表, 1995(6):3-4.

[2] 劉榮. 非晶態(tài)合金在低頻干擾電流探頭中的應(yīng)用[J]. 鋼鐵研究, 2001(6):27-30.

[3] 劉榮. 不同磁芯材料對(duì)電流探頭傳輸阻抗Z_t的影響[J]. 南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版), 2004, 4(2):53-55.

[4]王添文, 丁永平, 楊寶山. 電流探頭分析設(shè)計(jì)[J]. 裝備環(huán)境工程, 2010, 07(3):85-87.

[5] 謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試-第3版[M]. 華中科技大學(xué)出版社, 2006.

Linear compensation method on Transfer Resistance of current probe

Zhu Weiling
(Zhejiang Normal University, Jinhua Zhejiang,321000)

The compensation method based on nonlinear amplifier is proposed. The Transfer Resistance properties of current probe is investigated under the condition that signalis lower than 50kHz. The experimental results show that the Transfer Resistance is changed linearly along with applied signal frequency.

current probe；amorphous alloy ferrite；Transfer Resistance；amplifier

朱偉玲（1977.04--），女，漢族，研究生，講師，主要研究方向是傳感與測(cè)量技術(shù)。