三相交流电流电压检测分析Word格式.docx

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课程（论文）题目：

三相交流电压、电流检测传感器分析

内容：

试选择3种类型传感器，用于检测工频AC220V的电压与电流（1～100A）。

要求详细论述其工作原理、与线路的连接方法、精确度（从灵敏度、抗干扰和后级放大的阻抗等方面考虑）和线性度（从软、硬件方面都要考虑）的保证。

要求：

画出检测原理框图、接线图、设计过程流程图（技术准备、设计思路、方案、实施过程等）。

摘要：

随着信息化时代的到来，信息科学技术飞速发展，传感器作为信息技术的重要组成部分，其发展水平标志着一个国家的科学技术发展的水平，成为信息时代的焦点。

各类传感器在已经广为应用于生产生活的方方面面，传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术的三大支柱之一，也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业和朝阳产业。

几种新型的传感器主要有：

霍尔电流传感器、光纤电流传感器、光栅传感器、生物传感器、超声波传感器、CCD传感器等。

本文主要选择3种类型传感器，用于检测工频AC220V的电压与电流（1～100A）。

并且论述了其工作原理、线路的连接方法、精确度和线性度等。

关键词：

电流传感器，磁补偿，霍尔传感器，互感器

1光纤电流传感器

1.1光纤电流传感器的理论基础：

光纤电流传感器是基于Faraday效应来检测电流大小的光学传感器件。

Faraday效应是指线性偏振光沿外加磁场方向通过介质时其偏振面发生旋转的现象。

Jones矩阵是研究光的偏振及偏振系统的有效方法。

1864年，法拉第发现，当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应，通常又称为法拉第效应。

其原理示意图如图1.1所示。

图1.1法拉第效应原理图

法拉第效应的本质为磁致圆双折射，即圆偏振光经过法拉第效应后相位将发生变化。

因为线偏振光可以表示为正交的两束左旋和右旋的圆偏振光的叠加，则立方晶体或各向同性材料的法拉第效应，其旋转角取决于沿磁场方向传播的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的折射率之差。

1.2几种常见的光纤传感器

1.2.1偏振调制型光纤电流传感器

偏振调制型也称为非干涉型，它不使用相位调制器，无电流时输出信号为直流量，通过检测出射光的偏振态旋转角度来确定待测电流的大小。

偏振调制型光纤电流传感的基本结构如图1.2所示。

图1.2偏振调制型光纤电流传感器结构

光源发出的光经起偏器转变为线偏振光，当线偏振光通过光纤圈时，电流产生的磁场将使线偏振光产生法拉第旋转，旋转角度与被测电流成正比。

1.2.2相位调制型光纤电流传感器

相位调制型的全光纤电流传感器是利用外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光的折射率不同，而线偏振光可以分解为一个左旋和右旋的圆偏振光，因而传播一段距离后，表现为线偏振光的振动面发生了旋转，而旋转角取决于沿磁场方向传播的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的折射率之差。

因此通过测量左旋圆偏振和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差，也可以实现电流的测量。

如图1.3为相位调制型全光纤电流传感器的原理图。

图1.3相位调制型全光纤电流传感器的原理图

1.2.3块状玻璃型光纤电流传感器

块状玻璃型光纤电流传感器基本原理是:

利用全反射，使线性偏振光通过玻璃材料内部多次反射，形成环绕通电导体的闭合光路，其结构如图1.4所示。

图1.4状玻璃型光纤电流传感器的传感头结构

1.3反射式光纤电流传感器模型设计

前面简要地介绍了几种光纤电流传感器，但它们都有主要的缺点，针对这样的情况，主要有两中解决方式：

一是改善光纤的固有双折射，二是设法增大法拉第转角。

反射式光纤电流传感器模型主要是提高法拉第转角。

1.3.1结构设计

图1.5为反射式光纤电流传感器的基本结构，光源发出的光经单模光纤传输后被送至起偏器，成为线偏振光，通过45度熔接点分成偏振方向相互垂直的两束光，再经过1/4波片入射光转换为两个旋向相反（左旋和右旋）的圆偏振光，进入传感区域，经过一次法拉第效应后，到达反射镜，发生反射，它们的偏振态在反射时发生了交换，即原左旋光变成了右旋光，原右旋光变成了左旋光。

经过反射后的圆偏振光按原路返回，再次经法拉第效应，然后通过1/4波片转换回线偏振光，经过反射的光携带了相位差信息经过祸合器被传送至光电探测器。

在整个过程中，两束光都经历了保偏光纤的两个轴和传感光纤的左旋和右旋模式，所以光路是完全互易的。

相位差取决于在传感区域的磁场大小。

又由于两束光都经历了两次法拉第效应，因此其相位差为4倍的法拉第相移。

这种结构的光纤电流传感器，在其他同等条件下，灵敏度是前面介绍的偏转型光纤电流传感器的4倍，相位调制型光纤电流传感器的2倍。

反射结构的返回光波在经反射镜返回至线圈时，偏转光旋转了90。

，使正反通过光纤线圈的偏振光相互正交，从而使得光纤中的附加线双折射相互抵消，而法拉第效应是非互易的，所以光波正反两次通过光纤圈时，法拉第旋转效应不会相互抵消，反而加倍了，所以这种结构不但能够减少光纤线性双折射的影响，还能够使法拉第效应加倍;

反射结构的两束干涉光在同一根光纤中传输，因此能够降低外界因素（如温度、压力等）的干扰，且不受sganac效应的影响。

另外反射结构使用的器件相对较少、容易搭建，因此与偏振旋转型和相位调制型结构相比反射结构具有灵敏度高、抗干扰能力更强、稳定性好等优点。

图1.5反射式全光纤电流传感器的基本结构

但是反射结构在实际应用中，由于两束正交偏振光波在同一根光纤中传输且同时受到调制，因此必需使用双轴调制器，通常可将保偏光纤绕在压电陶瓷筒（PZT）上制成相位调制器，当PZT加上调制信号时，沿保偏光纤两个正交轴传播的线偏振光将引入与调制信号变化规律相同的相位差。

1.3.2反射式光纤电流传感器的偏振态分析

为了更进一步的分析反射式光纤电流传感器的原理，对通过其光信号的偏振态的变化进行分析，如图1.6所示。

图1.6反射式光纤电流传感器中光的偏振态变化

光源发出的光通过起偏器P后变为线偏振光，经过45度熔接点后分解成偏振方垂直的两束光，这两束光经法拉第效应后产生了一定的相位差，返回时再次被45度熔接点分光，使得到达起偏器P有四束光，因此可以把第一次通过P的光看成是1、2、3、4四束光波的合成，经过45度熔接点时1、3路光沿光纤快轴传播（x偏振），2、4路沿光纤慢轴传播（y偏振），它们同时经过相位调制器，因此1、3路和2、4路光相位分别受到

和

的相位调制，其中

为光路传输时间。

经反射，1、3和2、4交换快慢轴，因此受到的调制分别为

。

输出时1、2路光的相位差为:

这就是反射型光纤电流传感器的理想模型。

传感器的响应是和相位差的余弦函数成正比。

在实验中，相位差值

都很小，响应函数处在最不敏感的区域内，为了提高测量的准确度，通常要进行相位调制。

加入相位调信号后，输出光为：

应用Jones矩阵对反射式电流传感器进行分析,当相位调制器信号的最佳调制深度

确定以后，一阶贝塞尔函数

为常数，只要从输出信号中得到A的值，就可以求得法拉第转角

值。

最后可求的输入光强，既得输入电流。

同理，反射式光纤传感器检测电压的方法也是类似的，将电压转换为电流信号输入传感器，原理与上述一致。

2霍尔传感器

2.1霍尔效应

霍尔效应原理将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场

，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势

，如图1所示，这现象称为霍尔效应。

称为霍尔电压。

图2.1霍尔效应原理图

实验表明，在磁场不太强时，电位差

与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即

2.2霍尔磁补偿原理

原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。

所以称为霍尔磁补偿电流传感器。

这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。

霍尔磁补偿原理如图2.2所示。

图2.2霍尔磁补偿原理

从图2.2知道：

Φ1＝Φ2

I1N1＝I2N2

I2＝NI/N2·

I1

当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压。

做为传感器测量电压U0即：

U0＝I2RM

按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从0.01A～500A系列规格的电流传感器。

由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；

其次，工作电流消耗也相应增加；

但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。

2.3霍尔电流电压传感器的设计

2.3.1磁补偿式电压、电流传感器原理

磁补偿式电压、电流传感器是一种先进的能隔离主回路与控制回路、能检测从直流到100kHz正弦与非正弦周期量电压、电流值的高科技模块化产品，其副边能真实地反映原边的波形。

磁补偿式电压传感器主要应用于2500V以下电压等级的直流、交流、脉冲和不规则电流的测量、控制和保护。

磁补偿式电压传感器的工作原理如图2.3所示。

图2.3磁补偿电压传感器原理

为了测量mA级的小电流，根据Φ1＝I1N1，增加N1的匝数，同样可以获得高磁通Φ1。

采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。

与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串联一个限流电阻R1，然后并联连接在被测电压U1上，得到与被测电压U1成比例的电流I1，如图2.3所示。

副边原理同电流传感器一样。

当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压作为传感器的测量电压U0，即U0＝I2RM。

磁补偿式电压传感器和电流传感器的工作原理是一样的。

根据安培定律，霍尔器件H则始终起着检测零磁通的作用。

当输入U1为直流电压时，可以获得直流电压输出；

当输入U1为交流电压时，可以获得跟踪的交流电压输出。

2.3.2磁补偿式传感器结构设计

检测系统构成如图2.4，被测量参量经霍尔传感器转换为电压信号，经信号调理电路和多路转换开关选择，通过A／D转换器送给单片机，单片机采用89C51，是该系统的主控器，键盘选用2×

4键盘，用于选择被测量的种类，采用数码管或液晶显示被测量的大小。

图2.4系统结构简图

2.3.3电流传感器的接线图及输出

磁补偿式电流传感器接线图如图2.5所示。

图2.5磁补偿式电流传感器接线图

（a）图是P型接法，（b）图是C型接法

在以上接线图上，主回路被测电流I1在穿孔中有一箭头示出了电流正方向，实物外壳上也标明了电流正方向，这是电流传感器规定了被测电流I1的电流正方向与输出电流I2是同极性的。

这在三相交流或多路直流检测量中是致关重要的。

检测信号的输出一般要求经过放大后再输出，以下是两种输出放大电路：

图2.6实用差动比例放大电路（a）

图2.7实用差动比例放大电路（b）

磁补偿式电流、电压磁补偿式电流、电压传感器均为电流输出型。

从原理图看出“M”端对电源“O”端为电流I2的通路。

因此，传感器从“M”端输出的信号为电流信号。

电流信号可以在一定范围远传，并能保证精度，使用中，测量电阻RM只需设计在二次仪表输入或终端控制板接口上。

为了保证高精度测量要注意：

①测量电阻的精度选择，一般选金属膜电阻，精度≤±

0.5％，②二次仪表或终端控制板电路输入阻抗应大于测量电阻100倍以上。

3利用互感器检测电压电流

3.1互感器原理

光电式互感器采用光学传感头对电力系统一次电流、压进行测量,用于低压系统中的保护和计量等二次设备,它克服了传统电磁式互感器的不足,无

暂态电磁饱和现象,采用光纤绝缘,绝缘造价低,具有数字输出,易于与数字仪表接口,重量轻、积小,具有宽广的动态测量范围和频率响应范围,不仅可以测量工频交流信号、各次谐波信号、直流量,而且可以高保真地复现电网暂态信号,具有良好的动态。

光电式一体化电流电压互感器就是将光学电流互感器（OCT）和光学电压互感器（OPT）同放于一个绝缘体内,可同时测量导线上的电流和电压,采用3组这样的传感头同时测量三相电流电压值,低压部分采用一套信号处理系统就可以完成三相电流电压的测量工作,在实现相同功能的前提下大大降低了造价。

3.1.1电流电压互感器

电流电压互感器整体结构如图3.1所示,一体化光学电流电压互感器由光

源、输光纤、感头、号处理系统组成,传感头由1个电流传感头、个电压传感头和光纤绝缘支撑体组成。

信号处理系统由光电探测器、处理电路、数字信号处理器（DSP）、工控机、D/A转换器组成,不但提供满足保护和计量要求的数字信号,而且提供现有二次设备需要的模拟信号。

图3.1一体化光学电压电流互感器系统结构

光源发出的光波通过6路传输光纤传输到传感头中进行调制,调制后的光波再通过另外12路传输光纤输出到信号处理系统中,在预处理电路中通过光电转换、率放大、滤波、双通道处理和双光路补偿处理后,输出三相计量用电流模拟信号、相保护用电流模拟信号和三相电压模拟信号到A/D采集卡中进行A/D转换,转换后的结果输入到工控机中进行各种功率和电能量计算,输出数字信号到合并单元中,并通过D/A转换、波放大后输出模拟信号。

3.1.2全反射光学电压互感技术

对基于Pockets效应的纵向调制结构块状OPT进行改进,使用全反射棱镜构成全反射OPT,原理如图3.2所示,输入光线通过全反射棱镜2次通过BGO晶体,增加了感应的灵敏度。

图3.2全射OPT结构

与纵向调制不同的是电压不是全部加在电光晶体上,可以调整电极间的距离改变电场的大小,降低作用在电光晶体上的电压,有利于提高电光晶体的温度稳定性和线性度。

通光方向与待测电场方向平行,属纵向调制,垂直于通光方向的干扰电场对传感头影响很小,平行于通光方向的干扰电场又受到电极的屏蔽,所以传感头受电场的干扰比横向调制要小得多,大大提高了测量精度。

输出信号的线性度又明显优于纵向调制,只需一路光路就可以解调电压信号,配合另一路光路可以实现双光路补偿,能够在一定程度上减少温度、压力等的影响,双光路还能消除输入光强变化的影响。

使用全反射棱镜还使所有光学元件如准直透镜、偏振器、偏振分光棱镜等都安装在地电极侧,传感头结构紧凑,易于形成一体化。

此外,全反射棱镜还为外加电压产生的双折射的2束光提供π/2的位相差,使得传感器具有较好的线性度。

3.2检测系统设计

光纤传输系统电路可采用菲利普公司的模块化光端机或自行设计。

本文采用国家光电子工程中心的一型作为光源,采用一型检测器构成光接收机,数据采集系统由信号修整电路、模数转换器、模拟多路器、采样保持电路和程序定序器等构成。

总体结构如图3.3所示。

图3.3光纤综合控制采集采集系统构成图

3.2.1LED的数字传输驱动电路

LED作为数字传输系统的光源时,驱动电路要提供一定的开关电流,能适应高速率的输入数据,并能使LED稳定工作。

获得这种开关电流的方法如图3.3所示。

图中R1是基极限流电阻,C1为加速电容,R2为LED的预偏置电阻,为提供左右的预偏置电流,保持LED结电容上的电荷存在,以适应高的码速。

另外,LED具有-1%/℃的温度系数,在正常的工温度范围内（-10℃-+50℃）光输出有2dB的变化,电路中串联的二极管是起温度补偿用的,其目的是使LED的驱动电流随温度上而提高,保持恒定的输出功率。

3.2.2接收电路

光接收机的主要功能是将接收到的光信号变换为电信号,并保持稳定输出。

本文设计的接收机由接收电路和判决电路两部分组成,接收电路由两级放大器组成,判决电路采用了一个简单的比较器,其门限电压设为0.5V左右即可以判断“0”和“1”,又可对波形进行整形。

图3.5LED数字传输驱动电路图

4小结

本论文简要介绍了几种传感器的工作原理、结构组成、及电路设计，离实际应用还有一定的差距，书写过程中对传感器应用的重要性有了更深的认识，以后会着重加强这方面的知识，做到学以致用。

传统的检测元件受规定频率、规定波形，响应滞后等很多因素的限制，不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代电流电压传感器，以及电流电压传感器与真有效枝AC/DC转换器组合成为一体化的变送器，已成为人们熟知最佳检测模块。

另外，电子电力装置向高频化、模块化、组件化、智能化发展，使装置设计者得心应手，这将是电子电力技术史上划时代的根本性变革。