千承輝, 劉 赫, 黃曉菲, 惠乾鑫

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130061)

0 引 言

目前, 電流信號(hào)檢測(cè)的方法相對(duì)已經(jīng)比較成熟, 熱電法[1]和測(cè)輻射熱器法[2]都能實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻電流的測(cè)量。在傳統(tǒng)電流測(cè)量方法中, 通常被測(cè)件與測(cè)量?jī)x器串聯(lián)相接, 導(dǎo)致電路負(fù)載效應(yīng)較大, 而且測(cè)量難度也隨之增大[3-4]。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展, 基于微處理器的電流檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)與電腦通信傳送數(shù)據(jù), 完成對(duì)測(cè)量對(duì)象的自動(dòng)檢測(cè), 推動(dòng)了測(cè)控儀器領(lǐng)域的革新[5-6]。筆者在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了現(xiàn)有電流測(cè)量技術(shù)需串聯(lián)接入電路的不足，結(jié)合微處理器電流檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套基于FFT(Fast Fourier Transform)算法的互感式電流檢測(cè)裝置，采用非接觸式電流測(cè)量方式，減少了對(duì)被測(cè)電路的影響。

1 設(shè)計(jì)思路

電流信號(hào)檢測(cè)裝置由電流傳感器、微處理器和顯示部分組成。互感電流傳感器模塊利用漆包線纏繞在鐵氧體磁環(huán)上制成, 檢波電路利用OP07設(shè)計(jì)濾波電路及放大電路并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行直流偏置, STM32微處理器集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集前級(jí)電路輸出的電壓信號(hào), 進(jìn)行FFT得到信號(hào)的頻率及幅度特征, 將信號(hào)的幅度和頻率信息顯示在OLED上。圖1為電流信號(hào)檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 電流信號(hào)檢測(cè)裝置總體框圖

2 裝置理論分析與計(jì)算

互感式電流傳感器以法拉第電磁感應(yīng)定律為理論依據(jù)[7], 理論公式如下

(1)

其中E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),n為線圈匝數(shù)，Δφ為單位時(shí)間Δt內(nèi)的磁通量變化,f為信號(hào)頻率，S為感應(yīng)線圈面積，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

一次線圈電流變化引起磁芯中磁通變化, 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理在二次線圈中可以感應(yīng)出變化的電壓。

類比變壓器工作原理, 如果沒(méi)有磁場(chǎng)泄露, 一二次線圈電壓比與線圈匝數(shù)比的關(guān)系如下

(2)

其中E1、E2分別為一次線圈、二次線圈中的電壓,N1、N2分別為一次線圈、二次線圈的匝數(shù)。

該裝置測(cè)量的正弦波信號(hào)頻率范圍為50 Hz～1 kHz, 峰峰值范圍為10 mA～1 A, 電流測(cè)量精度優(yōu)于5%, 頻率測(cè)量精度優(yōu)于1%, 故

δA=AminγA=10×5%=0.5 mA

(3)

δf=fminγf=50×2%=1 Hz

(4)

其中δA、δf分別為電流、頻率分辨力，Amin、fmin分別為電流、頻率信號(hào)最小值,γA、γf分別為電流、頻率測(cè)量精度。

由于頻率計(jì)算是利用FFT[8], 故頻率分辨率公式如下

δf=fs/N

(5)

其中fs為采樣頻率,N為采樣點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)采樣定理

fs>2fmax

(6)

其中fmax為信號(hào)頻率最大值。

為便于測(cè)量, 將互感式電流傳感器輸出電壓放大后進(jìn)行采集, 故將電流分辨率進(jìn)行轉(zhuǎn)換(將電壓調(diào)節(jié)至0～3 V)

δA′=3δA=1.5 mA

(7)

b=A′max/δA′=2 000

(8)

其中δA′為放大后的電流分辨力,A′為放大后電流信號(hào)最大值,n為ADC位數(shù)。

綜上所述, 選擇ADC位數(shù)為12位, 采樣頻率設(shè)置為4 kHz, 采樣點(diǎn)數(shù)為4 000。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 互感式電流傳感器電路

互感式電流傳感器是由漆包線纏繞在磁環(huán)上形成的, 漆包線匝數(shù)為N2=80, 被測(cè)電路穿越磁環(huán)中匝數(shù)為N1=1。

3.2 檢波電路

互感式電流傳感器感應(yīng)的電流具有一定的噪聲干擾和衰減, 因此需要進(jìn)行濾波和放大。0P07運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓低, 且其輸入偏置電流低, 非常適合于測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面, 因此檢波電路選擇OP07。由線圈感應(yīng)的信號(hào)流經(jīng)OP07構(gòu)成的有源濾波器進(jìn)行低通濾波, 濾波后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)OP07構(gòu)成的同相放大器進(jìn)行放大, 最后信號(hào)通過(guò)電位器進(jìn)行直流偏置以滿足STM32微處理器的ADC采集電壓的要求。電路如圖2和圖3所示。

圖2 濾波電路圖

圖3 放大及直流偏置電路圖

4 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件部分的主要任務(wù)是讀回傳感器傳出的電壓信號(hào), 利用快速傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析, 分析信號(hào)的頻率及幅度, 并顯示在上位機(jī)及OLED上[9]。程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

實(shí)際測(cè)量中頻率與幅值均會(huì)對(duì)線圈的感應(yīng)值造成影響, 利用500 mA電流測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)如圖5所示?？傻? 幅度與頻率的校準(zhǔn)函數(shù)為

A=53 023f-1.196A0

(9)

圖4 電流信號(hào)檢測(cè)程序流程圖 圖5 采集數(shù)據(jù)擬合圖像

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試方案

1)測(cè)量環(huán)路由TDA2030A音頻功率放大器及25 W 10 Ω負(fù)載電阻組成, 保證了回路電流足夠大, 可被傳感器檢測(cè)到。功率放大器電路如圖6所示。

由信號(hào)發(fā)生器輸出的50 Hz～1 kHz的任意信號(hào)經(jīng)過(guò)J1輸入到TDA2030構(gòu)成的同相放大電路(兩個(gè)二極管起到輸出電壓正負(fù)限幅保護(hù)；R2,C6用于穩(wěn)定頻率), 經(jīng)過(guò)放大后的電流流經(jīng)負(fù)載R5峰峰值最大值可達(dá)1 A。

2)通過(guò)對(duì)比信號(hào)發(fā)生器示值及測(cè)量顯示結(jié)果驗(yàn)證測(cè)量正弦信號(hào)的準(zhǔn)確性。

3)通過(guò)對(duì)比信號(hào)發(fā)生器示值、理論計(jì)算的傅里葉級(jí)數(shù)與測(cè)量顯示結(jié)果驗(yàn)證測(cè)量三角波信號(hào)的準(zhǔn)確性。

圖6 功率放大器電路圖

5.2 測(cè)試結(jié)果及分析

功率放大器性能測(cè)試如表1所示。

表1 功率放大器測(cè)試表

由表1可得, 信號(hào)經(jīng)功率放大電路后50 Hz～1 kHz信號(hào)電流峰峰值均可達(dá)到1 A。電流檢測(cè)分析電路性能測(cè)試如表2和表3所示。

表2 正弦信號(hào)檢測(cè)測(cè)試表

表3 三角波信號(hào)檢測(cè)測(cè)試表

由表2、表3可知, 該裝置可以進(jìn)行電流信號(hào)的檢測(cè)與分析, 頻率檢測(cè)誤差小于2%, 幅度檢測(cè)誤差小于5%。

5.3 測(cè)試分析與結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 該電流信號(hào)檢測(cè)裝置在待測(cè)信號(hào)頻率范圍50 Hz～1 kHz, 峰峰值范圍10 mA～1 A內(nèi), 能以高精度檢測(cè)正弦波和三角波信號(hào)并詳細(xì)地顯示檢測(cè)到的電流的幅度和頻率等信息。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路中電流信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及諧波分析。

6 結(jié) 語(yǔ)

筆者在理論分析的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一套基于FFT的互感式的電流信號(hào)檢測(cè)裝置, 對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)和諧波分析測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該裝置在保證測(cè)量精度的前提下具有較高的性價(jià)比, 而且可以實(shí)現(xiàn)與電腦通信傳送數(shù)據(jù), 對(duì)測(cè)量對(duì)象的自動(dòng)調(diào)試和檢驗(yàn)。這種以微處理器為核心的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了測(cè)量自動(dòng)化和功能多樣化, 在工業(yè)領(lǐng)域中電力環(huán)境監(jiān)測(cè)方面有著一定的應(yīng)用價(jià)值。