[發明專利]用于電力設備磁場檢測的傳感器放大電路的研究

在審

• 申請號: 202010780523.8
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111913138A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 劉勇;黃興旺;宗紅寶;李琪冉;董學家;王志會;王豪
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02;G01R31/58;G01R1/30;H03F1/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明使用Multisim電路仿真軟件設計了一款基于磁通負反饋的放大電路，分析了放大電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并對放大電路的可靠性進行了驗證。研究成果可用于放大磁場傳感器感應線圈兩端的感應電壓，拓寬了傳感器的測量頻率，提高了磁場傳感器的靈敏度，對維護電力電纜的穩定運行，保持電纜的在線檢測，維持我國電網運行的安全穩定有著重大的意義。

技術領域

本發明涉及一種基于法拉第電磁感應定律的磁場傳感器放大電路的設計，其中提出了基于磁通負反饋的放大電路。

背景技術

電力電纜因其傳輸性能穩定、絕緣性能好、耐高溫、鋪設方便、操作維護簡單等特點，在電網中得到了廣泛的應用。在城市電網建設中逐漸取代了架空線路和油紙絕緣電纜。為了在線檢測電纜的運行狀態，提出了基于電磁感應定律的磁場傳感器。電力電纜在周圍產生的磁場較弱，交變的磁場通過磁芯后在感應線圈上產生的感應電壓較弱，因此輸出電壓也較弱。為了使感應電壓能被數據采集，或使傳感器與其它電子設備具有良好的兼容性，需要設計放大電路對感應信號進行放大處理。

目前，國內外學者對放大電路的研究有很多，并且取得了大量階段性成果。幅頻特性曲線的補償電路有許多種。比例放大電路的電路形式簡單，應用的傳感器頻帶是低于傳感器諧振頻率的一側，但是在頻率到幾百赫茲的時候，會有較大的放大器輸出電壓動態范圍。積分放大電路也具有電路形式簡單的優點，但也存在應用頻帶低于諧振頻率的問題。除了運用補償電路外，在線圈兩端并聯匹配電阻也可以改善諧振點處的幅頻特性，從而提高頻率的檢測范圍，但這也會增加線圈的電阻熱噪聲，降低高低頻的輸出增益，對幅頻特性的改善有所限制。因此，設計一款能拓寬測量頻率范圍且幅頻特性曲線和相頻特性曲線平滑的放大電路對電纜磁場檢測十分重要。

發明內容

本發明的目的即在于，通過Multisim建立了一個放大電路的模型，通過公式推導對磁反饋放大電路的工作原理進行了簡要描述，從減小電路噪聲等角度對放大電路的結構進行設計。對放大電路的幅頻特性和相頻特性進行了檢測，并通過實例對放大電路進行了驗證。研究成果可用于放大磁場傳感器感應線圈兩端的感應電壓，提高磁場傳感器測量的準確性，為人們分析感應電壓提供了方便，對電力電纜的在線檢測，維護人們的安全用電具有重要意義。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案，用于電力設備磁場檢測的傳感器放大電路的研究，其特征在于具體步驟為：

1、磁通負反饋放大電路的原理分析：

磁反饋改善幅頻特性曲線的基本原理如下：感應線圈在交變磁場中產生感應電壓后先通過放大器放大，放大后的感應電壓經過反饋電阻轉換成電流信號，電流信號在反饋線圈中產生與被測磁場方向相反的磁場，從而形成磁通負反饋。當磁場處于諧振頻率附近，輸出較大的電壓幅值時，磁通負反饋對穿過感應線圈的磁場進行削弱，減小感應電壓，從而達到平緩幅頻特性曲線的目的。磁通負反饋電路原理如圖1所示。

在添加反饋線圈后，通過感應線圈的磁感應強度應為B＝B_j-B_f(B_j為被測磁場磁感應強度，B_f為反饋線圈產生的磁感應強度)，放大器兩端的輸入電壓應為：

其中：N是感應線圈的匝數，S是感應線圈的橫截面積，R_L是感應線圈直流電阻，C是感應線圈分布電容，Lp是感應線圈電感。

輸入電壓U_i經過放大器放大G倍后，得到的輸出電壓為：

U_o＝-GU_i (2)