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1、中国科学院上海原子核研究所博士学位论文新颖高性能电流传感器的研制姓名：唐立军申请学位级别：博士专业：核技术及应用指导教师：卢宋林20030601论文摘要背景普通电流传感器一般用于测量交流，而许多基础科学、应用科学研究及应用技术等领域需要检测、调节和控制高精度的直流电流，因而需要高稳定性、高精度的直流电流传感器，鉴于国内这方面的研究刚起步，大部分高性能直流传感器需要进口，因此，利用国内的条件开展了这方面的研究工作，在制作原理、磁芯材料性能和测试手段上进行了一定的探索，开发出了满足上述领域一般应用要求的高性能电流传感器。原理如图2 一l ，双检测线圈分别在由相同材料组成的对称两磁芯上，匝数相等、绕
2、向相反，将k H z 量级的调制三角波同时激励两检测线圈，产生磁化电流。被测电流的导线经过两检测磁芯形成初级线圈，当流过初级线圈电流变化时，在两检测磁芯上产生磁通量变化，使两检测磁芯之一磁通量增加，另个磁通量减少，根据磁芯材料的非线性特性，两线圈的磁化电流的信号差将随流过初级线圈被测电流的变化而变化，据此设计零磁通检测器检出两磁化电流信号差值，此值经反馈放大后产生补偿电流流过补偿线圈，补偿线圈绕在两检测磁芯上，因而在两磁芯上产生大小相等、方向相反的磁通以抵消初级电流引起的磁通变化。这样，两磁芯中的磁通都会达到平衡，此时的被测电流和补偿电流的安匝数相等，通过输出电阻值测量出补偿电流值，即得到了被
3、测电流值。利用上述原理，测量电流的技术称之为新的零磁通检测技术。此方法的优点是不必使检测磁芯驱动至饱和( 实际上不到6 0 0 G S ) ，对被测电路的干扰小，可以测量高精度的直流电流，并与被测电路隔离。同时也易于制作。磁性材料在对磁性材料性能进行实验研究的基础上，选择了价格较低、性能好、规格多的高u 超微晶材料为检测磁芯。用新的零磁通检测技术检测电流时，此磁性材料的检测灵敏度高，零点偏离小，受调制信号的频率和幅度变化影响小，常温下几乎不受温度的影响等。性能指标在原理和材料性能研究的基础上，设计了传感器的磁路和电路，制作了量程为2 0 0 A ，5 0 0 A 、1 0 0 0 A 的传感器
4、样机，并针对2 0 0 A 传感器的性能指标测试结果，对磁路和电路做了进一步的调整，实现了电流传感器的高性能。测试结果表明其频率响应为D C 一5 0 0 K H Z ，在5 0 0 K H Z 时的误差仅1 5 ，约1 3 d B ：响应时间为2 ，线性度、静态误差在l O p p m 量级，准确度与丹麦传感器差万分之，基本接近丹麦传感器的性能指标。改进方向由于受测试条件及时间的限制，5 0 0 A 的测试还不够全面，1 0 0 0 A 量程的电流传感器暂时没有测试，1 0 0 0 A 的测试条件还需完善，在测试手段上的研究还要做很多工作。但从5 0 0 A 传感器的测量结果来看，新的零磁通
5、检测技术可以用来制作大量程高性能的电流传感器。另外，温度稳定性、线性度、静态误差、长时间稳定性等，有望通过改变脉冲变压器的结构，调换高稳定性的输出电阻来进一步提高。应用由于此类电流传感器使用的超微晶材料可以成批烧制，价格低，且规格大小较多，新的零磁通检测技术对磁芯不需苛刻挑选，因而其造价可以远远低于坡莫合金材料做成的国内外电流传感器，并且可以根据需要做成各种量程。目前J E 准备用于I O O M e V 加速器电源上。进一步研究有望在相当广泛的领域使用。相关专利正在申请。AN e wH i g hP e r f o r m a n c eC u r r e n tT r a n s d u
6、c e rD e v e l o p m e n tD i r e c t e db yP r o LT A N GL i j u nL US o n g l i nA B S T R A C TB A C ：K G R O U N DA no r d i n a r yc u r r e mt r a n s d u c e ri so n l yu s e dt od e t e c ta l t e r n a t i n gc u r r e n t ，b u ti ti sn e c e s s a r yt om e a s l l r ea n dc o n t r o lh i
7、 g hp r e c i s i o nD Cc u r r e n ti nm a n yf i e l d ss u c ha sf u n d a m e n t a ls c i e n c e ，a p p l i e ds c i e n t i f i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ye t cS ot h eD Cc u r r e n tt r a n s d u c e rw i t hh i g hs t a b i l i t ya n dh i 曲p r e c i s i o
8、 ni si nn e e d ，B e c a u s eo fl e s sr e s e a r c hb e f o r e ，m o s to fD Ct r a n s d u c e rd e p e n d so ni m p o r t a t i o n ，t h i si sv e r yi n c o n v e n i e n ta n dc o s t l y , i ti sn e c e s s a r yt Od e v e l o pD Cc u r r e n tt r a n s d u c e rw i t he x c e p t i o n a l
9、 l yh i g hp r e c i s i o n A D C 5 0 0 k H zc u r r e n tt r a n s d u c e ri sd e v e l o p e dw i t hh i g hp e r f o r m a n c ew h i c hc a nm e e tt h es t r i n g e n tr e q u i r e m e n to ft h ea b o v ef i e l d s , b ym e a n so fe x p l o r i n gm a n u N c m r ep r i n c i p l e ，e x
10、a m i n i n gp r o p e r t i e so fv a r i e t i e so fm a g n e t i cc o r e sm a t e r i a l ，a n ds t u d y i n gt e s tt e c h n i q u e P R I N C I P L EF i g u r e2 - 1s h o w st h es c h e m a t i co ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec u r r e n tt r a n s d u c e r Ak H zg r a d em o d u l a
11、 t e dt r i a n g l ew a v ev o l t a g ei sa p p l i e dt od o u b l es e n s i n gw i n d i n g s ，t h a ta r ew o u n da r o u n dt h et w oh o m o g e n e i t yo fm a g n e t i cc o r e sr e s p e c t i v e l yi no p p o s i t ed i r e c t i o n ，t oe x c i t i n gm a g n e t i z i n gc u r r e
12、n t A n yc h a n g eo fc u r r e n ti nt h ep r i m a r yw i n d i n gw o u n da r o u n dt w os e n s i n gm a g n e t i cc o r e sc a u s e sac h a n g eo ff l u xi nt h et w os e n s i n gm a g n e t i cc o r e s ，t h ef l u xi no n es e n s i n gc o r ei n c r e a s i n g ，i na n o t h e rd e c
13、r e a s i n g B e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n - l i n e a r i t yo fm a g n e t i cc o r em a t e r i a l ，t h ed i f f e r e n c eo fs i g n a l so fm a g n e t i z i n gc u r r e n t ，w h i c hc o m e sf r o mt h et W Os e n s i n gw i n d i n g ，v a r i e sw i t ht h ec h
14、 a n g eo ft h ec u r r e n ti nt h ep r i m a r yw i n d i n g H e r e b y , t h es e n s o ri sd e s i g n e dt od e t e c tt h es i g n a l s d i f f e r e n c e T h i ss i g n a li sf e dt ot h ep o w e ra m p l i f i e r , a n dt h er e s u l t i n gc u r r e n te n t e r st h ec o m p e n s a
15、t i o nw i n d i n gw o u n da r o u n dj i i t w os e n s i n gm a g n e t i cc o r e s ，w h e r ea i le q u a lb u to p p o s i n gf l u xi sp r o d u c e dt oc o u n t e r a c tt h eo r i g i n a lc h a n g eo ff l u x A s s u m i n gt h ea m p l i f i e rh a si n f i n i t eg a i na n dz e r oo
16、f f s e t ，t h ef l u xb a l a n c ei nt w os e n s i n gm a g n e t i cc o r e si sm a i n t a i n e d T h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n ti st h e nd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep r i m a r yc u r r e n tb yt h et u r n sr a t i oo ft h ep r i m a r yw i n d i n gt ot h ec o m p e n s a t i o nw i n d i n g I ti s ，t h e r e f o r e ，at r u em e a s u r eo f t h ep r i m a r yc u r r e n t T h et e c h n i q u ew o r k i n ga st h i sp r i n c i p l et od e t e c
