非接觸式高精度AC電流檢測系統及其實驗和誤差分析

　　本文針對現有非接觸式AC電流檢測系統存在的精度不高、工藝復雜、傳感器位置存在限制等不足，將系統級比例測量法與鎖相放大技術相結合，設計了非接觸式高精度AC電流檢測系統。通過實驗證明，設計的系統克服了以上不足，系統分辨力達0.02mA，空間分辨力達1mm，可在以傳感器為中心、半徑為3cm的范圍內對mA級的電流進行有效檢測。設計的系統減少了對高性能傳感器的依賴性，著眼于測量電路本身進行研究和改良，從而提高了檢測精度。設計的系統除了滿足非接觸式高精度電流檢測場合的要求，更為電流密度成像系統的硬件實現提供了設計方案和實驗基礎。

　　引言

　　近年來，隨著科學技術的發展，工業生產的各種測量、控制等實際應用場合不僅提高了對微弱電流檢測的精度要求，也對檢測方式提出了新的要求[1]，因此非接觸式電流檢測系統以其不對被測電路造成影響的特點被應用到更廣泛的領域中。

　　現有非接觸式微弱電流檢測系統通常存在以下不足：檢測精度不夠高，現有非接觸式電流檢測系統通常只適用于大電流的檢測，只有基于電流互感器的特殊磁芯電流傳感器(如FeCuNbSiB單納米晶磁芯[2])可實現mA級電流的檢測;工藝復雜，通常使用特殊材料制成的傳感器[3];傳感器位置存在限制，通常要求待測導體穿過傳感器的中心，因此具有一定的使用局限性[4]。本文設計的非接觸式高精度AC電流檢測系統[5]，克服了以上不足，系統分辨力達0.02mA，空間分辨力達1mm，可在以傳感器為中心、半徑為3cm的范圍內對mA級的電流進行有效檢測。

　　本設計減少了對高性能傳感器的依賴性，著眼于測量電路本身進行研究和改良，從而提高檢測精度。采用了鎖相放大技術，在特定頻率參考信號的輔助下，可將待測微弱電流信號從大量噪聲中提取出來;采用了比例測量方法，從而減小參考信號幅值波動及ADC基準電壓波動引入的測量誤差;采用了自制空心線圈作為傳感器，避免了鐵芯的飽和及磁滯現象，也不需采用特殊磁芯材料，同時待測導體不需穿過檢測線圈，放寬了檢測位置的限制。本文闡述了設計的高精度AC電流檢測系統的工作原理，采用該系統進行了實驗，得到了較好的測量結果，最后分析了造成測量誤差的主要原因。

　　非接觸式高精度AC電流檢測系統的設計

　　系統工作原理

　　設計的非接觸式交流微弱電流檢測系統原理框圖如圖1所示。系統工作時，感應線圈將待檢測的微弱電流信號轉換為微弱感應電動勢，該微弱電壓信號在前置信號處理電路中被放大和濾波后輸入模擬乘法器。參考信號單元生成與待測電流頻率相同的參考信號，分為兩路：一路輸入模擬乘法器，一路經精密整流電路變換為直流信號為ADC提供參考電壓。經過乘法器和ADC，待測信號與參考信號相乘，交流信號被濾除，直流信號被采樣并轉化為數字信號在控制單元控制下進行輸出、保存和顯示。實際測量示意圖如圖2所示。