基于电磁感应原理的高频电流传感器建模方法与研制技术

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随着高频电流在众多领域的广泛应用,准确测量高频电流变得十分重要,我国对高频电流传感器的需求也越发迫切。但相比于国外成熟的高频电流测量技术和领先国际的产品仪器,我国高频电流传感器的研发工作进展缓慢,因此,实现国产化高频电流传感器的自主开发是十分有必要的。本文的主要目标是提出一种高频电流传感器的设计方案,使其动态响应范围和工作频带满足大多数高频电流测量的需求,探索解决高频电流的测量需求问题。
  本文从众多常用传感器中选取了基于电磁感应原理的铁芯线圈作为研究对象,深入探讨了研制高频电流传感器需要解决的三大难题:建立真实有效的高频等效模型、提高传统绕制线圈的传感精度以及减小杂散参数以提升高频截止频率。
  针对以上难题,本文首先采用数学递推方法建立了传感器的频率特性模型,真实准确地反映了高频信号下传感器的内部暂态过程,实现了对其频率特性的无限模拟逼近,基于此模型深入研究了线圈各参数对传感器频率特性的影响情况;基于传感器频率特性影响因素的研究结果,提出了一种基于铁芯线圈的高频电流传感器设计方案,仿真验证了其频率特性满足设计要求;并且在传感器的研制过程中提出了两大关键技术,即铁芯-PCB混合型结构、二次绕线错落式布置,实现了二次绕线的均等精准布线,提高了传感器的测量精度,同时杂散电容参数也得以减小,有效提升了传感器的高频截止频率,拓宽了其工作频带;根据设计方案和研制技术制作了基于铁芯线圈的高频电流传感器。
  最终,在中国计量科学研究院的设备支持下,本文完成了高频电流传感器的性能测试,测试结果表明,额定电流为1A/10A时,测量频带为2.5kHz-1MHz;额定电流为50A时,测量频带为2.5kHz-75kHz;测量误差均在±1%以内,工作频带和测量误差均满足设计要求。
  
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