一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器的制作方法

本发明涉及磁通门电流传感器，特别涉及一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器。

背景技术：

1、磁通门电流传感器具有超高的测量精度和良好的温度稳定性，已被工业检测、自动化工程领域使用。

2、目前相对成熟的磁通门电流传感器通常包括以下两种模式：交直流零磁通磁调制传感器模式和单铁芯磁通门电流传感器模式。

3、其中，交直流零磁通磁调制传感器模式采用由多个绕组（4 组或更多）、多环形铁心组成的磁通门探头，该传感器结构复杂、电路复杂，可靠性受影响，不适合要求较高微小电流检测领域。比如中国发明专利： cn107340418b -一种准数字式频率调制磁通门电流传感器，该传感器采用了双磁通门探头，自激励磁电路与双磁通门探头（第一磁芯和第二磁芯平行并联）连接，上述方式增加了传感器整体结构的复杂性，且运算放大器的电源正极接+10v恒压直流电压源，电源负极接-10v 恒压直流电压源，从而也增加了电路的复杂性的，导致该传感器制造成本大大增加，使用场合受限制。

4、而单铁芯磁通门电流传感器模式，特别是基于自激振荡磁电路的脉冲宽度检测法和脉冲幅度检测法的单铁芯磁通门电流传感器，由于变压器磁滞特性和涡流效应，激励源会耦合到反馈绕组中对传感器产生干扰，影响传感器的测量范围和测量精度，且容易受到激励源带来的外界磁场的干扰，检测精度差，从而难以在物联网监控领域普遍推广。

5、故亟需提供一种结构简单、制造成本低、检测精度高、便于推广使用的磁通门电流传感器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的不足之处，提供一种结构和硬件电路简单、制造成本低、检测精度高、便于推广使用的磁通门电流传感器。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，包括：

3、磁通门探头,磁通门探头包括磁芯，磁芯上设有振荡绕组fc、自激振荡兼信号输出绕组se；

4、mcu模块，振荡绕组fc、自激振荡兼信号输出绕组se均与mcu模块相连；

5、由mcu模块提取自激振荡兼信号输出绕组se的波形信息，通过pid 控制生成pwm脉冲信号并输出至振荡绕组fc；自激振荡兼信号输出绕组se在磁芯中产生的磁通与振荡绕组fc在磁芯中产生的磁通相叠加，使磁芯处于正负交替的磁通饱和状态。

6、作为优选，由自激振荡兼信号输出绕组se输出的信号输出波，经mcu模块内置的运算放大器的同步放大后发送给mcu模块内置的比较器，通过比较器对信号输出波进行整形；再利用mcu模块内置的定时器/计数器生成pwm信号检测模块，pwm信号检测模块检测提取信号输出波的周期、频率、占空比信息,mcu模块根据信号的周期、频率、占空比信息对振荡绕组fc的驱动电压进行pid 控制。

7、作为优选，所述mcu模块包括mcu芯片，自激振荡兼信号输出绕组se的两端分别与mcu芯片上的oap_inp引脚和oap_inim引脚相连，振荡绕组fc的两端分别与mcu芯片上的pwm_io1引脚和pwm_io2引脚相连。

8、作为优选，所述mcu芯片上的adcx_in0引脚上连接有温度传感电路，温度传感电路包括第一支路、热敏电阻、电容c4，第一支路的一端与adcx_in0引脚相连，第一支路的另一端与正电压供电端相连，热敏电阻和电容c4的一端均与第一支路相连，热敏电阻和电容c4的另一端均与数字地相连；热敏电阻用于检测磁芯所处环境的环境温度。

9、作为优选，通过温度传感电路对磁芯温度进行检测并获得磁芯所处环境的环境温度实测值，并通过以下公式计算温度修正系数：

10、；

11、式中，为温度修正系数，为磁通门电流传感器被检测励磁电流，为磁芯所处环境的环境温度实测值与基准参考温度值之间的差值。

12、作为优选，所述mcu芯片上的gpio1引脚上连接有第二支路，第二支路远离gpio1引脚的一端与正电压供电端相连，第二支路上设有发光二极管led和电阻r5。

13、作为优选，所述mcu芯片连接接口电路，所述接口电路包括 rs485芯片，rs485芯片上的d引脚与mcu芯片上的txd引脚相连，rs485芯片上的de引脚和re引脚同时与mcu芯片上的en引脚相连，rs485芯片上的r引脚与mcu芯片上的rxd引脚相连；rs485芯片上的gnd引脚与通讯接口上的gnd引脚均与数字地相连；rs485芯片上的a引脚通过第二支路与通讯接口上的a引脚相连，第二支路上设有电阻r6,rs485芯片上的b引脚通过第三支路与通讯接口上的b引脚相连，第三支路上设有电阻r7,第二支路和第三支路之间通过第四支路相连，第四支路上设有电阻r8。

14、作为优选，所述mcu芯片上的gpio2引脚上连接有第五支路，第五支路与三极管q的基极相连，三极管q的发射极与数字地相连，三极管q的集电极与通讯接口上的io引脚相连。

15、作为优选，磁通门电流传感器通电后程序先进入初始化代码，配置映射mcu芯片上的io引脚功能，读取运行的校准参数表；然后调用mcu芯片上的定时器和计数器建立 pwm输入模块，通过中断方式对自激振荡脉冲的周期、占空比持续获取；

16、通过定时器合成pwm脉冲信号并将pwm脉冲信号输出至振荡绕组fc，并设置堆栈和定时中断；被检测电流从磁芯中通过；对自激振荡兼信号输出绕组se产生的自激振荡脉冲进行周期滤波处理，并对自激振荡脉冲进行分段处理，获取每个分段内的幅值的平均值；通过分段折线拟合方法，计算出直流电流的平均值或交流电流的有效值。

17、作为优选，所述磁芯、电路板和振荡绕组均设置于封装外壳中，封装外壳上设有用于容纳磁芯的磁芯腔、用于固定通讯接口的接口座、用于放置电路板的电路板腔，通过环氧树脂灌封胶将磁芯、电路板封装在封装外壳中。

18、本发明的有益效果是：

19、1、本发明采用单个磁芯和双绕组配合的结构模式，整体结构复杂度低，制造成本较低，便于推广使用。

20、2、本发明中，振荡绕组fc由mcu模块进行pid控制驱动，自激振荡兼信号输出绕组se在磁芯中产生的磁通与振荡绕组fc在磁芯中产生的磁通相叠加，使磁芯处于正负交替的磁通饱和状态，使其对输入激励电流（被检测电流）的相频特性信号进一步放大，从而提高对电流的测量精度和测量范围。

21、3、本发明中，mcu模块中引入温度传感电路，通过温度传感电路检测磁芯所在环境的温度，并根据磁芯所在环境的温度计算温度修正系数，对实测电流值进行修正，以提高检测的准确性。

22、4、本发明通过环氧树脂灌封胶对传感器进行封装，实现电路板的绝缘、防水、防油、防尘，并提升传感器的抗冲击能力。

技术特征：

1.一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，由自激振荡兼信号输出绕组se输出的信号输出波，经mcu模块内置的运算放大器的同步放大后发送给mcu模块内置的比较器，通过比较器对信号输出波进行整形；再利用mcu模块内置的定时器/计数器生成pwm信号检测模块，pwm信号检测模块检测提取信号输出波的周期、频率、占空比信息,mcu模块根据信号的周期、频率、占空比信息对振荡绕组fc的驱动电压进行pid 控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，所述mcu模块包括mcu芯片，自激振荡兼信号输出绕组se的两端分别与mcu芯片上的oap_inp引脚和oap_inim引脚相连，振荡绕组fc的两端分别与mcu芯片上的pwm_io1引脚和pwm_io2引脚相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，所述mcu芯片上的adcx_in0引脚上连接有温度传感电路，温度传感电路包括第一支路、热敏电阻、电容c4，第一支路的一端与adcx_in0引脚相连，第一支路的另一端与正电压供电端相连，热敏电阻和电容c4的一端均与第一支路相连，热敏电阻和电容c4的另一端均与数字地相连；热敏电阻用于检测磁芯所处环境的环境温度。

5.根据权利要求4所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，通过温度传感电路对磁芯温度进行检测并获得磁芯所处环境的环境温度实测值，并通过以下公式计算温度修正系数：

6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，所述mcu芯片上的gpio1引脚上连接有第二支路，第二支路远离gpio1引脚的一端与正电压供电端相连，第二支路上设有发光二极管led和电阻r5。

7.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，所述mcu芯片连接接口电路，所述接口电路包括 rs485芯片，rs485芯片上的d引脚与mcu芯片上的txd引脚相连，rs485芯片上的de引脚和re引脚同时与mcu芯片上的en引脚相连，rs485芯片上的r引脚与mcu芯片上的rxd引脚相连；rs485芯片上的gnd引脚与通讯接口上的gnd引脚均与数字地相连；rs485芯片上的a引脚通过第二支路与通讯接口上的a引脚相连，第二支路上设有电阻r6,rs485芯片上的b引脚通过第三支路与通讯接口上的b引脚相连，第三支路上设有电阻r7,第二支路和第三支路之间通过第四支路相连，第四支路上设有电阻r8。

8.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，所述mcu芯片上的gpio2引脚上连接有第五支路，第五支路与三极管q的基极相连，三极管q的发射极与数字地相连，三极管q的集电极与通讯接口上的io引脚相连。

9.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，磁通门电流传感器通电后程序先进入初始化代码，配置映射mcu芯片上的io引脚功能，读取运行的校准参数表；然后调用mcu芯片上的定时器和计数器建立 pwm 输入模块，通过中断方式对自激振荡脉冲的周期、占空比持续获取；

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，其特征在于，所述磁芯、电路板和振荡绕组均设置于封装外壳中，封装外壳上设有用于容纳磁芯的磁芯腔、用于固定通讯接口的接口座、用于放置电路板的电路板腔，通过环氧树脂灌封胶将磁芯、电路板封装在封装外壳中。

技术总结本发明公开了一种基于脉冲调制相位检测法的单芯片磁通门电流传感器，包括：磁通门探头,磁通门探头包括磁芯，磁芯上设有振荡绕组FC、自激振荡兼信号输出绕组SE；MCU模块；由MCU模块提取自激振荡兼信号输出绕组SE的波形信息，通过PID控制生成PWM脉冲信号并输出至振荡绕组FC；自激振荡兼信号输出绕组SE在磁芯中产生的磁通与振荡绕组FC在磁芯中产生的磁通相叠加，使磁芯处于正负交替的磁通饱和状态。本发明结构简单，且自激振荡兼信号输出绕组SE在磁芯中产生的磁通与振荡绕组FC在磁芯中产生的磁通相叠加，从而提高对电流的测量精度和测量范围。技术研发人员：郭旭枫,马建程受保护的技术使用者：杭州英旭智能科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25