多通道電流傳感器自動測試系統

作者簡介：李斌(1991—)，男，主要研究方向：精密測量、儀器儀表。E-mail：libin@primsci.com。

孫向平(1984—)，男，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向：計量測試、儀器儀表。E-mail：libin@primsci.com。

高金偉(1987—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：計量測試、儀器儀表。E-mail：gaojinwei@primsci.com。

0   引言

隨著電力系統的發展，電流測量需求促使著電流傳感器行業日新月異，各種規格、類型的電流傳感器層出不窮，對測試設備的需求也越來越高^[1]。在以往的電流傳感器生產/ 校準過程中，每一項技術指標都需要一套專用測試系統，復雜且效率低下，覆蓋能力較差^[2-3]。針對上述問題，本文提出一種多通道電流傳感器自動測試系統，能夠自動測試傳感器的各項基本參數，保存數據，生成圖表。提高生產效率的同時能夠保證所有傳感器都經過測試篩選，大大提升了生產的可靠性。

本測試系統主要測試項目有直流比例誤差、上升時間、電流響應速度、零點偏置、零點漂移、線性度等。

1   測試系統組成

多通道電流傳感器自動測試系統原理框圖如圖1 所示，包括精密恒流源、橋式換向模塊及邏輯控制單元、標準電流傳感器、傳感器供電及可編程負載陣列、多路復用器（MUX）、信號調理電路、高精度ADC、主控制器、數據處理及儲存模塊、通信模塊及人機交互模塊。

精密恒流源為數字/ 模擬雙閉環的程控電流源，為被測傳感器提供測試電流，同時可以并機或等安匝法以提高等效電流范圍^[4]。橋式換向及邏輯控制模塊可以根據人機交互輸入信息改變被測電流傳感器的輸入電流方向。標準電流傳感器為與被測電流傳感器比例一致、精度更高且有上級校準數據的標準電流傳感器，在精密恒流源準確度與被測傳感器準確度不滿足1/3 關系時使用，作為比較測試法的主要標準。

測試系統具體技術指標如表1 所示，直接測試法與比較測試法可以將比例誤差的測試范圍擴展到10-5^[5-6]，覆蓋市面上絕大多數電流傳感器。

2   測試系統原理及測試方法

2.1 精密恒流源

精密恒流源模塊^[7-11]采用磁通門電流傳感器作為輸出電流反饋，其原理框圖如圖2 所示。市電經過保險絲、共模濾波器等轉換為交流低壓，經過整流濾波模塊成直流低壓給MOSFET 供電，作為主功率輸出級。基準電壓源為ADC、DAC 提供穩定的電壓參考信號；用戶界面的設定的電流值經過微控制器轉換為對應的數值發送給DAC，DAC 將該數值通過R2R 結構將基準電壓源的電壓值分出具體電壓信號作為誤差比較模塊的參考信號，輸出大電流經過傳感器等比例變換為小電流經過采樣電阻轉換為電壓信號，該電壓信號經過低通濾波及增益變換后進入誤差比較模塊與參考信號進行比較，誤差比較模塊輸出為一定增益的反極性的差模信號，該差模信號經過濾波后作為功率MOSFET的柵極驅動信號，控制MOSFET 的導通程度從而控制輸出電流大小。同時增益模塊的輸出信號進入ADC 模塊，經過模數轉換后進入微控制器，實時監測恒流源輸出電流大小。

2.2 多通道采集模塊

多通道數據采集模塊如圖3 所示，包括負載電路陣列、MUX、全差分運算放大器、程控濾波器、8 通道精密ADC、1 通道高速ADC、SoC 控制器、Webserver 等。可編程負載陣列經過MUX 切換到不同信號調理通道。輸入信號經過增益可控的差分運放調節適合增益后進入程控源濾波部分選擇凌特公司的LTC1594 作為抗混疊濾波器件，濾波器帶寬小于fs/2 采樣率，能有效抑制雜散的無用頻率信號，同時，由于有源濾波器擁有較高的輸入阻抗及較低的輸出阻抗，使得信號調理部分能更容易地驅動精密ADC。精密ADC 選用ADI 公司的LTC2380 作為模數轉換器，該ADC 在30.5 sps 時具有145 dB 的動態范圍，滿足高精度的使用需求，同時內部具有SINC1 濾波器，在高速采集模式下可以抑制50/60 Hz 供電干擾，進一步保證轉換后信號的可靠性。ADC 數據端與FPGA 采用ADum2602 作為隔離期間，該隔離保證可以將數字部分對地的影響降到很低，同時能保證SoC 控制器的安全。

FPGA 經過ADC Driver 邏輯控制ADC 進行轉換的同時將數據經過加窗進行FFT 轉換，FFT 轉換后的頻域數據能夠進一步分析傳感器的噪聲頻譜。大量的數據經過RAM 緩存后通過AXI-4 等高速總線傳輸到內部的輕量級Linux 系統中，當客戶端鏈接時，內建的Webserver 能將這些數據顯示到客戶端界面上。根據交互界面的輸入可完成數據保存、圖表生成等功能。同時外擴高速串行計算機擴展總線標準（PCIe）接口、網口（Ethernet）等高速數據導入/ 到處接口及調試用的串口（RS232）。

2.3 直流比例誤差測試

2.3.1 直接測試法

對于0.05 級及以下采用直接測試法，具體原理如圖3 所示，恒流源輸出電流經過換向模塊穿過電流傳感器回到恒流源，被測電流傳感器輸出經過可編程負載陣列轉換為電壓信號后經過信號調理電路調整到ADC 滿量程輸入范圍，微控制器控制ADC 將該電信號轉換為數值，經過式（1）換算可以直接得到傳感器的直流比例誤差。

式中， ΔNDC 為被測磁通門電流傳感器直流測量比例誤差，無量綱； NDC 為被測磁通門電流傳感器標稱比例，無量綱； I_sDC 為標準直流電流源電流值， A； U_xDC 為ADC 測得的負載電阻上的電壓經過修正后的電壓值，V； Rx 為負載電阻阻值， Ω 。

2.3.2 比較測試法

對于0.05 級及以上的電流傳感器，由于恒流源準確度只有0.01%，直接測試法已不再適用，選擇與標準電流傳感器做比較可以忽略電流源的影響，具體實現方式如圖3 所示。標準電流傳感器與被測電流傳感器接入同一個一次電流中，二次電流相反方向的接入同一負載電阻，二次電流的差值經轉換為電壓信號后經過信號調理電路、ADC 轉換為具體數值。

其中，誤差電流

比例誤差

合并式（2）與式（3），可得

由于Is 位于分母，且恒流源得穩定度優于5×10-5/30 min，其誤差影響可以忽略，Is 可以用其標稱值I 代替。

式中： NS 為標準電流傳感器校準后得比例值，無量綱； Is 為精密恒流源輸出電流值，在此可以用標稱值I 代替， A； UR 為ADC 測得的負載電阻上的電壓經過修正后的電壓值，V； R 為負載電阻電阻值， Ω 。

2.4 上升時間及電流響應速度

電流傳感器的上升時間及電流響應速度采用脈沖恒流源法測試。脈沖恒流源^[12-13]原理框圖如圖5 所示，脈沖信號選用微控制器產生單脈沖，單脈沖進入射頻MOSFET 驅動器U1 ～ Un，型號為DEIC420，DEIC420為高速CMOS 驅動器，能為功率MOSFET 提供峰值電流輸20 APeak 的最大驅動能力。同時由米勒效應與楞次定律可知，減小柵極驅動電阻、雜散電容能減小柵極信號的上升時間，因此Rg 選用多只電阻并聯，旁路電容選用ESL 小的鉭電容。為保證可靠穩定，傳輸線選用同軸線，連接器選用N 形連接器，測試夾具為定制的工裝。負載電阻RL 為短路線，標準脈沖傳感器選用為PEARSON 4100 高頻電流傳感器^[14]，其峰值電流500 A，上升沿10 ns，可以作為脈沖電流源的標準器具在此使用。

2.5 零點偏置

零點偏置為傳感器一次測輸入為零時，二次側的輸出電流值，電流傳感器零點包括電零點、自發磁化及地磁變化等。具體測試框圖如圖6 所示，傳感器供電電源為傳感器提供正常工作需要的電能，電流輸出型電流傳感器再選配合適的負載電阻，精密恒流源輸出設置為零，邏輯控制模塊控制橋式換向模塊中的4 個功率MOSFET開路，此時電流母線內的漏電流為納安級別，可忽略不計。負載電阻上測得的電壓值既是傳感器綜合零點偏置。

2.6 零點漂移

零點漂移為電流傳感器輸入為零時輸出信號每隔一段時間二次側輸出值偏離原指示值的最大偏差值與滿量程的百分比。在保證溫濕度幾乎不變的前提下，通過長時間記錄零點偏置的大小，取這段時間的最大值與最小值的差與時間的比值記為傳感器零點漂移。

2.7 線性度

線性度誤差為同一校準點上正反行程多次測量的輸出信號值的算術平均值與參比直線上相應點的最大值的絕對誤差值相對于滿量程的百分比值。具體計算公式如下：

式中： δ L 為傳感器的線性誤差，無量綱； ΔL_max 為傳感器多次測量校準曲線與擬合直線間的最大偏差； YFS 為滿量程輸出值。

3   上位機軟件設計

直接測試法的控制流程如圖8 所示，導入測試模板后，測試系統根據模板設定測試項目、測試點、負載值及誤差限。給傳感器供電并加上負載，檢測到傳感器工作正常后進入測試序列。

如果后續還有測試點，改變電源輸出值，讀取的傳感器輸出值與誤差限做比較，如果超差則彈出警告、停止恒流源輸出并讓客戶接入是否終止測系序列，如果選擇繼續測試，則將超差數據標記并進入下一步測試。如果測試過程中無超差，則根據測試序列循環調節電流源輸出值并記錄數據，完成后復位測試系統并保存測試報告，用戶可以根據測試條目從數據庫內調取數據行程各類圖表。

4   測試數據

4.1 精密恒流源校準數據

精密恒流源校準證書數據如圖9 所示，200 A 量程內設定值為100 A 時，標準器正向測得實際值為100.000 6，反向測得實際值為100.002 6，最大相對誤差為0.003%，校準不確定度為0.002%；200 A 輸出時候標準器正向測得實際值為200.001 0，反向測得實際值為200.004 5，最大相對誤差為0.002%，校準不確定度為0.001%，滿足10-5 以內電流傳感器校準用標準源的技術需求。

圖9 精密恒流源校準數據

4.2 標準電流傳感器校準數據

標準電流傳感器校準數據如下圖所示，測量范圍為400 A，10% ～ 100% 量程范圍內，線性度、比例誤差均小于10-6，滿足10-5 以內電流傳感器校準用標準電流傳感器的技術需求。

圖10 400 A標準電流傳感器校準數據

4.3 HAH系列霍爾電流傳感器線性度誤差

圖10 為HAH 系列電壓輸出型霍爾電流傳感器線性度測試數據，橫軸為精密恒流源一次電流5 匝穿入傳感器，傳感器輸出電壓經過接入1 MΩ 負載后多次重復測得的數據，線性度最差為0.2%。

圖11 線性度測試數據

5   結束語

本測試系統技術指標及功能上滿足了電流傳感器的自動測試需求，同時極大地提高了電流傳感器生產效率，同時測試數據整理保存后可以后續核查，保證所有傳感器出廠都合格且有測試數據，極大提高了傳感器的可靠性。后續可以配合溫濕度控制箱還可以增加傳感器溫度系數、傳感器增益誤差隨溫度變化及零點偏置隨溫度變化等項目，使得電流傳感器自動測試系統功能更完善。

參考文獻：

[1] 和劭延,吳春會,田建君.電流傳感器技術綜述[J].電氣傳動,2018,48(1):65-75.

[2] 賈騰.直流大電流精確測量技術綜述[J].通信電源技術,2018,035(5):97-98.

[3] 邵海明,梁波,林飛鵬,等.國家科學技術進步獎二等獎獲獎項目介紹國家直流大電流計量標準研究[J].中國計量,2014,000(3):72-75.

[4] 高宇澄,趙偉,李凱特,等.用于等效測試大電流互感器抗干擾性能的非均勻纏繞線圈的設計方法[J].高電壓技術,2018,44(6):2089-2096.

[5] LIN F,LIANG B,SHAO H,et al.Development of wide-band current transformer for precision measurement of highcurrent[C]. 2020 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2020),2020.

[6] SHAO H,LIN F,BO L,et al.DC 5 kA current ratio standards based on series–parallel self-calibration DCCs[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2013,62(11):3093-3100.

[7] 周凱鋒.30 A高精度交直流恒流源的研制[D].昆明:昆明理工大學,2002.

[8] 于勤芝.一種高精度直流恒流源的設計[J].實驗室研究與探索,1997(6):91-91.

[9] 張存凱.30A高穩定度恒流源系統的研制[D].杭州:中國計量大學, 2016.

[10] 張存凱,李正坤,陳樂,等.多MOSFET并聯均流的高穩定度恒流源研究[J].電測與儀表,2016(12):81-86.

[11] 姜洪雨.一種新型高精度高溫度穩定性恒流源研究[J].現代電子技術,2008(14):3-5.

[12] 張郁.一種基于低頻補償的脈沖大電流測試方法研究[D].南京:南京理工大學,2014.

[13] 于治國,馮莉,張繼昌.大電流脈沖恒流源[C].第三屆特種電源技術學術交流會,中國電源學會,中國電工技術學會,2006.

[14] PERASON CURRENT MONITOR MODEL 4100[R/OL].https://www.pemch.com/UploadFiles/attachment/4100.pdf

[15] 秦爽.多通道同步數據采集系統設計與實現[D].成都:電子科技大學.

[16] 李艷軍,郭正剛,張志新,等.基于FPGA多通道同步數據采集系統設計[J].微計算機信息,2007(26):212-213.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期）