电流卡钳传输阻抗的线性补偿

朱伟玲

（浙江师范大学，浙江金华，321000）

电流卡钳传输阻抗的线性补偿

朱伟玲

（浙江师范大学，浙江金华，321000）

为了扩展电流卡钳的频率测试范围，根据其等效电路模型，分析并测试了传输阻抗特性，发现了传输阻抗在频率范围内的非线性现象，进而提出了基于放大器的线性补偿方法。通过测试结果表明，在1-50kHz的被测信号情况下，匹配了放大器的电流探头的传输阻抗的波动范围≤±1dB。因而，利用这一补偿方法，可以给单片机信号采集转换成被测电流值带来方便。

电流卡钳;非晶态合金;传输阻抗;放大器

0 引言

电流卡钳（亦称电流探头、电流钳形表）因其无需串联到被测电路中，通过互感器耦合方式测量的特点，大量应用于科研生产和检修测试当中。然而，传统的电流卡钳受磁芯材料的限制电磁感应耦合频率敏感性较大，在低频范围内耦合系数小，这在很大程度上制约了电流卡钳测试特性的线性度。目前，针对低频测量的研究已有相应的研究成果。例如在电流卡钳中用两个探头提高测量精度[1]，运用高磁导率的非晶态合金作为磁芯[2][3]等。这些方法均可在一定程度上提高测量灵敏度，但实现方式主要依赖于增加卡钳的体积与成本，以及不能解决电流卡钳测试结果的非线性问题。为此，本文尝试通过分析以非晶态合金为磁芯的电流卡钳的阻抗特性，并测试了加低通滤波器前后的阻抗特性的变化，得到一种阻抗特性曲线的线性化方法。

1 基本原理

电流探头采用互感器的原理，通过磁芯将初级被测电流耦合到次级再经过负载转换为电压进行测量，电流探头的等效电路模型（如图1所示）[4]。

图1 电流探头等效电路模型图

图2 传输阻抗的频率特性曲线

其中

M：电流探头与被测导线的互感；L1：穿过电流探头的被测导线的自感；

L2：电流探头绕线的自感；C2：分布电容；

r：绕线电阻；R：仪器内阻（一般为50Ω）；

V0：输出电压；Z：虚线框内的总阻抗。

表征电流探头的技术指标主要有传输阻抗、传输阻抗的宽频平坦度。传输阻抗Zt(ω)定义为输出电压与输入电流之比，若忽略r和c，则传输阻抗大小为表达式(1)所示[4]，

从式(1)可发现：

2 电流卡钳性能测试

本文采用铁基非晶带材均匀的绕制在非磁性骨架上，使其外径R=2cm，内径r=0.9cm。选用0.5mm漆包线绕制线圈绕30匝，作为探头的二次侧绕组。

图3 电流卡钳测试原理

用正弦信号源产生1-100kHz的频率可调的信号，电流卡钳将流经Ri的被测导线电流卡在磁环内，次级绕组输出端接交流微伏表。使输入电压UiP-P=5.11V，改变信号源输出频率，用交流毫伏表测定输入端电压Ui和输出端电压Uo，测试数据如表1所示，用Matlab软件把测试数据可视化后传输特性曲线如图4所示。

表1 电流探头传输阻抗实测结果

3 放大器设计

为了对低于的频段进行补偿，使传输阻抗在该频段具有更好的线性度，采用R、C元器件与运放组成的音调控制器模型，对低频、高频部分提升，中频部分保持0dB不变。其电路结构如图5所示[5]，

图4 传输阻抗Zt与被测信号频率f的关系

图5 放大电路

当f＜fL1（截止频率）时，允许低频信号通过；当fL1＜f＜fL2（转折频率）时，该滤波器对低频信号进行提升。

此时电压增相对于AVL下降17dB。

根据设计要求，要实现5-50kHz范围内实现传输阻抗平坦度为±1dB，则音调控制器fL1=5kHz，fL2=50kHz。根据选择R1=R2=R4=470Ω，RP1=4.7k，C1=0.01uF。

4 测试结果

此时电压增AV1相对于AVL下降3dB。

4.1 放大器的频响特性测试

将信号发生器所产生的信号接至低通滤波器的输入端，用电源箱给LM324加±9V电源使其LM324得电工作，将输出端Vo接到示波器中。使信号发生器给出的输入电压为840mV，保持其不变，调节出入电压的频率，观察输出电压变化情况。

当频率从5~50kHz变化时，记下对应的输出电压，并根据公式Av=Vo/Vi计算电压增益的值，数据如表2，图6所示

表2 频率特性曲线测试数据

图6 音频控制器频率特性曲线

4.2 传输阻抗特性曲线

用音调控制器接在图3中的次级线圈与交流毫伏表之间对1-50kHz段频率范围进行补偿，探头传输阻抗与频率的实测曲线如图7所示。

图7 传输阻抗Zt与频率关系曲线

测试结果表明在输入频率为5~50kHz频率范围内传输阻抗随频率呈现递增（该频率范围内，ΔZt=13.11dB）的非线性现象得到了线性化补偿，满足传输阻抗平坦度为±1dB的要求。

5 结论

对电流探头的低频段采用音调控制器对传输阻抗进行线性化补偿，事实证明这是一种有效的补偿方法，能成功扩展电流探头低频测试范围。

[1] 陆文骏, 陆焱. 高精度钳形表设计原理[J]. 电测与仪表, 1995(6):3-4.

[2] 刘荣. 非晶态合金在低频干扰电流探头中的应用[J]. 钢铁研究, 2001(6):27-30.

[3] 刘荣. 不同磁芯材料对电流探头传输阻抗Z_t的影响[J]. 南京师范大学学报(工程技术版), 2004, 4(2):53-55.

[4]王添文, 丁永平, 杨宝山. 电流探头分析设计[J]. 装备环境工程, 2010, 07(3):85-87.

[5] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试-第3版[M]. 华中科技大学出版社, 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

朱伟玲（1977.04--），女，汉族，研究生，讲师，主要研究方向是传感与测量技术。