[發明專利]一種數字振膜式電流傳感器

無效

• 申請號: 200910076971.3
• 申請日: 2009-01-15
• 公開（公告）號: CN101782605A
• 公開（公告）日: 2010-07-21
• 發明（設計）人: 徐啟峰
• 申請（專利權）人: 徐啟峰
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種數字振膜式電流傳感器，基本原理是基于永磁場 和電流磁場的相互作用驅動薄膜振動，由測量振動得到數字電流信號。 本發明包括兩種振動驅動模式和兩種數字光電轉換方式，適用于電力 系統的交直流電流測量。

背景技術

目前使用的電流互感器或傳感器，有電磁式、磁光式和空心線圈 電子式三種。

電磁式電流互感器的應用已有120多年的歷史，是電力系統測量的 重要工具。但是電磁式電流互感器有許多原理性缺陷，如絕緣成本高、 安全性與可靠性低；故障電流常常導致鐵芯磁飽和，使繼電保護不能 正確工作。另外，切除故障電流、帶負荷操作、互感器生產過程中的 動熱穩定試驗，都會使鐵芯帶有一定的剩磁。剩磁使測量結果負向偏 移，導致電力系統功率計量的嚴重損失。舉例來說，2007年全國發電 量為32559億千瓦時，以負向偏移0.2％的保守估計，一年損失65億 千瓦時。

對磁光式電流傳感器的研究已有60多年的歷史。磁光式電流傳感 器利用光隔離解決了電氣絕緣問題，沒有鐵芯，所以沒有磁飽和，也 沒有剩磁問題。這些優點使磁光式電流傳感器具有廣闊的應用前景， 尤其是在超高壓、特高壓系統中。但是，磁光式電流傳感器的溫漂、 材料老化和隨機性誤差等問題難以解決，使磁光式電流傳感器的工作 穩定性備受質疑，歷經60多年的研制與開發，至今未能推廣應用。

空心線圈電子式電流傳感器沒有鐵心，所以沒有磁飽和問題，但 缺點是不能有效反應小信號和非周期分量。高電位的電子電路對電源 的需求同樣帶來了可靠性與穩定性方面的問題。

本發明的數字振膜式電流傳感器利用永磁場和分流線圈電流磁場 的相互作用驅動薄膜振動，由數字光電方法測量振動從而測量電流。 其高電位無源，高低電位之間光隔離，測量精度不受環境溫度變化的 影響，可以獲得高精度和無延時瞬態響應；可以用于交流測量，也可 以用于直流測量。對諧波和故障暫態都能如實反應；尤其適合在超高 壓、特高壓電力系統中使用。

發明內容

本發明的目的是提出一種數字振膜式電流傳感器，包括薄膜振動 系統和微振動光電測量系統。薄膜振動系統有兩種實施方式：永磁體 雙端驅動電流線圈薄膜振動模式和電流分流線圈雙端驅動永磁薄膜振 動模式。微振動光電測量系統應用了激光光束邊緣調制線陣電荷耦合 器(CCD)圖像傳感器或互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的方 法直接得到數字電流信號。

永磁體雙端驅動電流線圈薄膜振動模式如圖1所示，永磁體與電 流線圈薄膜的結構如圖3所示。永磁體[4]置于薄膜[3]的兩側，電流 線圈[5]與薄膜結合為一體，電流線圈分流了主導線電流，線圈電流產 生的磁場在永磁體磁場力的雙端驅動下帶動薄膜振動(交流)或進動 (直流)，其幅值是電流的線性函數。

電流分流線圈雙端驅動永磁薄膜振動模式如圖2所示，電流分流 線圈與永磁薄膜的結構如圖4所示。兩個電流分流線圈[2]置于薄膜[3] 的兩側，永磁體[4]與薄膜結合為一體，兩個電流分流線圈分流了等值 的主導線電流，電流產生的磁場驅動永磁體帶動薄膜振動(交流)或 進動(直流)，其幅值是電流的線性函數。

微振動光電測量系統應用了激光光束邊緣調制線陣電荷耦合器 (CCD)圖像傳感器或互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。如圖 5和圖6所示，激光信號從光源[6]經傳輸光纖[7]傳送到準直器[8]， 準直后得到邊緣整齊清晰的光束，在薄膜[3]上粘接一塊極輕的泡沫遮 光材料[9]，調整光束使[3]靜止時[9]的端面與光束的中心線重合，[3] 振動時帶動[9]遮擋全部光束、部分光束或無遮擋光束。光束經光反射 鏡[10]反射后進入擴束透鏡[11]放大，再到數字光電轉換及信號控制 處理器[12]中的線陣電荷耦合器(CCD)圖像傳感器或互補金屬氧化物 半導體(CMOS)圖像傳感器，[3]的振動導致光束邊緣的位置發生變化， 使激光光束進入圖像傳感器的不同像素，對像素進行簡單的二值判斷， 即有光信號或無光信號，便可以確定光束邊緣所處的位置，像素位置 的編碼就是振動信號幅值的數字量。對像素的二值判斷等同于模數轉 換，二值判斷的時間等同于模數轉換的時間。