多通道電流傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

作者簡(jiǎn)介：李斌(1991—)，男，主要研究方向：精密測(cè)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(jì)量測(cè)試、儀器儀表。E-mail：libin@primsci.com。

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

0   引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電流測(cè)量需求促使著電流傳感器行業(yè)日新月異，各種規(guī)格、類型的電流傳感器層出不窮，對(duì)測(cè)試設(shè)備的需求也越來(lái)越高^[1]。在以往的電流傳感器生產(chǎn)/ 校準(zhǔn)過(guò)程中，每一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都需要一套專用測(cè)試系統(tǒng)，復(fù)雜且效率低下，覆蓋能力較差^[2-3]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種多通道電流傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，能夠自動(dòng)測(cè)試傳感器的各項(xiàng)基本參數(shù)，保存數(shù)據(jù)，生成圖表。提高生產(chǎn)效率的同時(shí)能夠保證所有傳感器都經(jīng)過(guò)測(cè)試篩選，大大提升了生產(chǎn)的可靠性。

本測(cè)試系統(tǒng)主要測(cè)試項(xiàng)目有直流比例誤差、上升時(shí)間、電流響應(yīng)速度、零點(diǎn)偏置、零點(diǎn)漂移、線性度等。

1   測(cè)試系統(tǒng)組成

多通道電流傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)電流傳感器、傳感器供電及可編程負(fù)載陣列、多路復(fù)用器（MUX）、信號(hào)調(diào)理電路、高精度ADC、主控制器、數(shù)據(jù)處理及儲(chǔ)存模塊、通信模塊及人機(jī)交互模塊。

精密恒流源為數(shù)字/ 模擬雙閉環(huán)的程控電流源，為被測(cè)傳感器提供測(cè)試電流，同時(shí)可以并機(jī)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(jù)人機(jī)交互輸入信息改變被測(cè)電流傳感器的輸入電流方向。標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器為與被測(cè)電流傳感器比例一致、精度更高且有上級(jí)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器，在精密恒流源準(zhǔn)確度與被測(cè)傳感器準(zhǔn)確度不滿足1/3 關(guān)系時(shí)使用，作為比較測(cè)試法的主要標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)試系統(tǒng)具體技術(shù)指標(biāo)如表1 所示，直接測(cè)試法與比較測(cè)試法可以將比例誤差的測(cè)試范圍擴(kuò)展到10-5^[5-6]，覆蓋市面上絕大多數(shù)電流傳感器。

2   測(cè)試系統(tǒng)原理及測(cè)試方法

2.1 精密恒流源

精密恒流源模塊^[7-11]采用磁通門(mén)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(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲、共模濾波器等轉(zhuǎn)換為交流低壓，經(jīng)過(guò)整流濾波模塊成直流低壓給MOSFET 供電，作為主功率輸出級(jí)?；鶞?zhǔn)電壓源為ADC、DAC 提供穩(wěn)定的電壓參考信號(hào)；用戶界面的設(shè)定的電流值經(jīng)過(guò)微控制器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)值發(fā)送給DAC，DAC 將該數(shù)值通過(guò)R2R 結(jié)構(gòu)將基準(zhǔn)電壓源的電壓值分出具體電壓信號(hào)作為誤差比較模塊的參考信號(hào)，輸出大電流經(jīng)過(guò)傳感器等比例變換為小電流經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波及增益變換后進(jìn)入誤差比較模塊與參考信號(hào)進(jìn)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(hào)，該差模信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后作為功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOSFET 的導(dǎo)通程度從而控制輸出電流大小。同時(shí)增益模塊的輸出信號(hào)進(jìn)入ADC 模塊，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)恒流源輸出電流大小。

2.2 多通道采集模塊

多通道數(shù)據(jù)采集模塊如圖3 所示，包括負(fù)載電路陣列、MUX、全差分運(yùn)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(fù)載陣列經(jīng)過(guò)MUX 切換到不同信號(hào)調(diào)理通道。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)增益可控的差分運(yùn)放調(diào)節(jié)適合增益后進(jìn)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(wú)用頻率信號(hào)，同時(shí)，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(hào)調(diào)理部分能更容易地驅(qū)動(dòng)精密ADC。精密ADC 選用ADI 公司的LTC2380 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該ADC 在30.5 sps 時(shí)具有145 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，滿足高精度的使用需求，同時(shí)內(nèi)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(jìn)一步保證轉(zhuǎn)換后信號(hào)的可靠性。ADC 數(shù)據(jù)端與FPGA 采用ADum2602 作為隔離期間，該隔離保證可以將數(shù)字部分對(duì)地的影響降到很低，同時(shí)能保證SoC 控制器的安全。

FPGA 經(jīng)過(guò)ADC Driver 邏輯控制ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時(shí)將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加窗進(jìn)行FFT 轉(zhuǎn)換，F(xiàn)FT 轉(zhuǎn)換后的頻域數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步分析傳感器的噪聲頻譜。大量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RAM 緩存后通過(guò)AXI-4 等高速總線傳輸?shù)絻?nèi)部的輕量級(jí)Linux 系統(tǒng)中，當(dāng)客戶端鏈接時(shí)，內(nèi)建的Webserver 能將這些數(shù)據(jù)顯示到客戶端界面上。根據(jù)交互界面的輸入可完成數(shù)據(jù)保存、圖表生成等功能。同時(shí)外擴(kuò)高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)（PCIe）接口、網(wǎng)口（Ethernet）等高速數(shù)據(jù)導(dǎo)入/ 到處接口及調(diào)試用的串口（RS232）。

2.3 直流比例誤差測(cè)試

2.3.1 直接測(cè)試法

對(duì)于0.05 級(jí)及以下采用直接測(cè)試法，具體原理如圖3 所示，恒流源輸出電流經(jīng)過(guò)換向模塊穿過(guò)電流傳感器回到恒流源，被測(cè)電流傳感器輸出經(jīng)過(guò)可編程負(fù)載陣列轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整到ADC 滿量程輸入范圍，微控制器控制ADC 將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值，經(jīng)過(guò)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(cè)磁通門(mén)電流傳感器直流測(cè)量比例誤差，無(wú)量綱； NDC 為被測(cè)磁通門(mén)電流傳感器標(biāo)稱比例，無(wú)量綱； I_sDC 為標(biāo)準(zhǔn)直流電流源電流值， A； U_xDC 為ADC 測(cè)得的負(fù)載電阻上的電壓經(jīng)過(guò)修正后的電壓值，V； Rx 為負(fù)載電阻阻值， Ω 。

2.3.2 比較測(cè)試法

對(duì)于0.05 級(jí)及以上的電流傳感器，由于恒流源準(zhǔn)確度只有0.01%，直接測(cè)試法已不再適用，選擇與標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器做比較可以忽略電流源的影響，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3 所示。標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器與被測(cè)電流傳感器接入同一個(gè)一次電流中，二次電流相反方向的接入同一負(fù)載電阻，二次電流的差值經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路、ADC 轉(zhuǎn)換為具體數(shù)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(wěn)定度優(yōu)于5×10-5/30 min，其誤差影響可以忽略，Is 可以用其標(biāo)稱值I 代替。

式中： NS 為標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)后得比例值，無(wú)量綱； Is 為精密恒流源輸出電流值，在此可以用標(biāo)稱值I 代替， A； UR 為ADC 測(cè)得的負(fù)載電阻上的電壓經(jīng)過(guò)修正后的電壓值，V； R 為負(fù)載電阻電阻值， Ω 。

2.4 上升時(shí)間及電流響應(yīng)速度

電流傳感器的上升時(shí)間及電流響應(yīng)速度采用脈沖恒流源法測(cè)試。脈沖恒流源^[12-13]原理框圖如圖5 所示，脈沖信號(hào)選用微控制器產(chǎn)生單脈沖，單脈沖進(jìn)入射頻MOSFET 驅(qū)動(dòng)器U1 ～ Un，型號(hào)為DEIC420，DEIC420為高速CMOS 驅(qū)動(dòng)器，能為功率MOSFET 提供峰值電流輸20 APeak 的最大驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)由米勒效應(yīng)與楞次定律可知，減小柵極驅(qū)動(dòng)電阻、雜散電容能減小柵極信號(hào)的上升時(shí)間，因此Rg 選用多只電阻并聯(lián)，旁路電容選用ESL 小的鉭電容。為保證可靠穩(wěn)定，傳輸線選用同軸線，連接器選用N 形連接器，測(cè)試夾具為定制的工裝。負(fù)載電阻RL 為短路線，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)器具在此使用。

2.5 零點(diǎn)偏置

零點(diǎn)偏置為傳感器一次測(cè)輸入為零時(shí)，二次側(cè)的輸出電流值，電流傳感器零點(diǎn)包括電零點(diǎn)、自發(fā)磁化及地磁變化等。具體測(cè)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(fù)載電阻，精密恒流源輸出設(shè)置為零，邏輯控制模塊控制橋式換向模塊中的4 個(gè)功率MOSFET開(kāi)路，此時(shí)電流母線內(nèi)的漏電流為納安級(jí)別，可忽略不計(jì)。負(fù)載電阻上測(cè)得的電壓值既是傳感器綜合零點(diǎn)偏置。

2.6 零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移為電流傳感器輸入為零時(shí)輸出信號(hào)每隔一段時(shí)間二次側(cè)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間記錄零點(diǎn)偏置的大小，取這段時(shí)間的最大值與最小值的差與時(shí)間的比值記為傳感器零點(diǎn)漂移。

2.7 線性度

線性度誤差為同一校準(zhǔn)點(diǎn)上正反行程多次測(cè)量的輸出信號(hào)值的算術(shù)平均值與參比直線上相應(yīng)點(diǎn)的最大值的絕對(duì)誤差值相對(duì)于滿量程的百分比值。具體計(jì)算公式如下：

式中： δ L 為傳感器的線性誤差，無(wú)量綱； ΔL_max 為傳感器多次測(cè)量校準(zhǔn)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

直接測(cè)試法的控制流程如圖8 所示，導(dǎo)入測(cè)試模板后，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)模板設(shè)定測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試點(diǎn)、負(fù)載值及誤差限。給傳感器供電并加上負(fù)載，檢測(cè)到傳感器工作正常后進(jìn)入測(cè)試序列。

如果后續(xù)還有測(cè)試點(diǎn)，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(cè)系序列，如果選擇繼續(xù)測(cè)試，則將超差數(shù)據(jù)標(biāo)記并進(jìn)入下一步測(cè)試。如果測(cè)試過(guò)程中無(wú)超差，則根據(jù)測(cè)試序列循環(huán)調(diào)節(jié)電流源輸出值并記錄數(shù)據(jù)，完成后復(fù)位測(cè)試系統(tǒng)并保存測(cè)試報(bào)告，用戶可以根據(jù)測(cè)試條目從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)調(diào)取數(shù)據(jù)行程各類圖表。

4   測(cè)試數(shù)據(jù)

4.1 精密恒流源校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

精密恒流源校準(zhǔn)證書(shū)數(shù)據(jù)如圖9 所示，200 A 量程內(nèi)設(shè)定值為100 A 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器正向測(cè)得實(shí)際值為100.000 6，反向測(cè)得實(shí)際值為100.002 6，最大相對(duì)誤差為0.003%，校準(zhǔn)不確定度為0.002%；200 A 輸出時(shí)候標(biāo)準(zhǔn)器正向測(cè)得實(shí)際值為200.001 0，反向測(cè)得實(shí)際值為200.004 5，最大相對(duì)誤差為0.002%，校準(zhǔn)不確定度為0.001%，滿足10-5 以內(nèi)電流傳感器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)源的技術(shù)需求。

圖9 精密恒流源校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4.2 標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如下圖所示，測(cè)量范圍為400 A，10% ～ 100% 量程范圍內(nèi)，線性度、比例誤差均小于10-6，滿足10-5 以內(nèi)電流傳感器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器的技術(shù)需求。

圖10 400 A標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

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(cè)試數(shù)據(jù)，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(jīng)過(guò)接入1 MΩ 負(fù)載后多次重復(fù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，線性度最差為0.2%。

圖11 線性度測(cè)試數(shù)據(jù)

5   結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及功能上滿足了電流傳感器的自動(dòng)測(cè)試需求，同時(shí)極大地提高了電流傳感器生產(chǎn)效率，同時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)整理保存后可以后續(xù)核查，保證所有傳感器出廠都合格且有測(cè)試數(shù)據(jù)，極大提高了傳感器的可靠性。后續(xù)可以配合溫濕度控制箱還可以增加傳感器溫度系數(shù)、傳感器增益誤差隨溫度變化及零點(diǎn)偏置隨溫度變化等項(xiàng)目，使得電流傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)功能更完善。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）