一种基于罗氏线圈的非接触式微小电流测量系统的制作方法

1.本发明涉及电路实验设备技术领域，具体涉及一种基于罗氏线圈的非接触式微小电流测量系统。


背景技术：

2.在工程中，罗氏线圈被广泛应用于各种条件下仪器设备的大电流检测。例如《电子器件》期刊2020年第2期总共第322页刊登了标题为《高功率脉冲电源超大电流检测技术研究》的技术文献中提到：“利用罗氏线圈加积分器的组合电路，实现了高功率脉冲电源系统的超大电流检测”。又如《科学技术与工程》期刊2020年第22期总共第9075
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9080页刊登了标题为《基于改进遗传算法和有限元分析的罗氏线圈结构优化设计》的技术文献中提到：“将矿热炉变压器低压一侧出线端的电流穿过罗氏线圈，并经过积分还原、矢量运算等数据处理，从而实现对高温条件下矿热炉电极电流的精确测量”。再如《中国电机工程学报》期刊2020年第22期总共第7388
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7389页刊登了标题为《压接型igbt器件内部芯片电流测量时罗氏线圈的误差分析及改进方法》的技术文献中提到：“利用罗氏线圈的体积微小、无饱和、非嵌入式的特点，通过电压修正法或电流差分法，修正电磁干扰产生的误差，从而实现对压接型igbt器件内部芯片电流的精确测量”。
3.从上述《电子器件》、《科学技术与工程》和《中国电机工程学报》期刊的相关报道和研究可以看出，目前关于罗氏线圈的研究均为大电流测量应用，导线通过罗氏线圈后会产生电磁感应，利用罗氏线圈的电磁感应原理，可不经放大而直接测量电流参数。但在物理教学实验室内，利用大电流来进行罗氏线圈的功能教学演示存在很大的危险性，出于安全性和方便实验的要求，应利用小电流对学生进行教学演示。由于存在较多技术难题，比如在小电流情况下，现有的罗氏线圈能感应出的电压信号十分微小且很不稳定，极易受外界干扰而难以测量准确。故现有技术在物理实验室中未能实现利用罗氏线圈进行微小电流的准确测量。
4.但在物理教学过程中，又确需给学生在实验室内演示罗氏线圈的电磁感应功能，以教导学生认知和利用罗氏线圈的该功能，故设计出一种可用于普通物理实验室的测量系统，采用微小电流即可演示罗氏线圈的电磁感应测量功能，这对物理实验教学研究具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于罗氏线圈的非接触式微小电流测量系统，利用罗氏线圈检测电流待测单元的电流信号，通过放大电路模块对检测到的信号进行放大处理，再通过积分电路模块进行积分还原处理，实现对微小电流的精确测量，能将毫安级电流检测的误差控制在5%以内，不仅为在普通物理实验环境下的微小电流的非接触测量提供了可能，且将测量系统应用到教学研究中，还有助于学生对电磁感应相关理论知识的深入学习和应用，对物理实验教学研究具有重要意义。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于罗氏线圈的非接触式微小电流测量系统，包括罗氏线圈、放大电路模块、积分电路模块和示波器，电流待测单元从罗氏线圈的中部穿过，所述罗氏线圈用于检测电流待测单元的电流信号，所述放大电路模块用于对罗氏线圈检测到的电流信号进行放大处理，得到电流放大信号，所述积分电路模块用于对电流放大信号进行积分还原处理，得到电流还原信号，所述示波器用于显示电流还原信号。
7.进一步地，所述放大电路模块包括第一三极管、第一电阻和第二电阻，所述第一三极管的集电极经过第一电阻与罗氏线圈的正极端连接，第一三极管的基极与积分电路模块连接，第一三极管的发射极与罗氏线圈的负极端连接，所述第二电阻的两端分别与第一电阻和积分电路模块连接。
8.进一步地，所述积分电路模块包括第二三极管、第三电阻、第四电阻和电容，所述第二三极管的集电极经过第三电阻与第一三极管的基极连接，第二三极管的基极与示波器正极输入端连接，第二三极管的发射极与示波器负极输入端连接，所述电容与第四电阻并联，第四电阻的两端分别与第三电阻和示波器正极输入端连接。
9.进一步地，对于放大电路模块和积分电路模块中的电路元件，其参数满足：其中，r1为第一电阻的电阻值，r2为第二电阻的电阻值，r3为第三电阻的电阻值，c为电容的电容值，m为罗氏线圈的互感系数。
10.进一步地，对于积分电路模块，其中第三电阻和第四电阻的参数满足：r4=10r3其中，r3为第三电阻的电阻值，r4为第四电阻的电阻值。
11.进一步地，所述罗氏线圈的线圈匝数d为25000匝。
12.进一步地，所述罗氏线圈的内径、外径和线圈高度的比值为2：3：1。
13.进一步地，所述第二电阻的电阻值与第一电阻的电阻值的比值为5：1。
14.进一步地，所述电容的电容值为4.7uf。
15.进一步地，所述示波器与罗氏线圈连接，用于接收并显示罗氏线圈的电流信号。
16.进一步地，所述罗氏线圈包括连接基部、左半体和右半体，所述左半体、右半体均为半环状结构，所述左半体内设置有左半环线圈，所述右半体内设置有右半环线圈，左半体的一端和右半体的一端均与连接基部转动连接，左半体的另一端与右半体的另一端可拆卸连接，在左半体和右半体处于闭合状态时，所述左半环线圈和右半环线圈构成闭合环。
17.进一步地，所述左半体的内侧侧壁上设置有第一固定组件，所述右半体的内侧侧壁上设置有第二固定组件，所述第一固定组件和第二固定组件配合，用于将电流待测单元固定在罗氏线圈的轴线上。
18.进一步地，所述第一固定组件包括第一固定管、第一伸缩杆和第一夹持件，所述第一固定管与左半体的内壁固定连接，第一固定管内设置有第一弹力件，所述第一伸缩杆的一端与第一夹持件固定连接，第一伸缩杆的另一端与第一弹力件连接，第一伸缩杆部分位于第一固定管内。
19.进一步地，所述第一伸缩杆靠近第一弹力件的一端设置有第一卡件，第一伸缩杆通过第一卡件与第一弹力件连接，所述第一固定管的端部设置有第一限位件，所述第一限位件用于将第一卡件限位约束在第一固定管内。
20.进一步地，所述第一固定管、第一伸缩杆同轴设置，且第一伸缩杆的延长线经过罗氏线圈的中轴线。
21.进一步地，所述第二固定组件包括第二固定管、第二伸缩杆和第二夹持件，所述第二固定管与左半体的内壁固定连接，第二固定管内设置有第二弹力件，所述第二伸缩杆的一端与第二夹持件固定连接，第二伸缩杆的另一端与第二弹力件连接，第二伸缩杆部分位于第二固定管内。
22.进一步地，所述第二伸缩杆靠近第二弹力件的一端设置有第二卡件，第二伸缩杆通过第二卡件与第二弹力件连接，所述第二固定管的端部设置有第二限位件，所述第二限位件用于将第二卡件限位约束在第二固定管内。
23.进一步地，所述第二固定管、第二伸缩杆同轴设置，且第二伸缩杆的延长线经过罗氏线圈的中轴线。
24.进一步地，所述第一夹持件、第二夹持件均为“v”型结构，第一伸缩杆与第一夹持件的中部连接，第二伸缩杆与第二夹持件的中部连接。
25.进一步地，所述左半体和右半体在闭合状态下呈环体，所述环体的两侧分别设置有辅助固定机构，所述辅助固定机构与连接基部连接，辅助固定机构用于将电流待测单元固定在环体的中轴线上。
26.进一步地，所述辅助固定机构包括滑动杆、固定件和弹性件，所述滑动杆与连接基部的侧壁固定连接，滑动杆上套设有滑动环，所述固定件的一端与电流待测单元可拆卸连接，固定件的另一端与滑动环固定连接，所述弹性件的两端分别与连接基部、滑动环连接。
27.进一步地，常态下，所述弹性件处于压缩状态，对滑动环施加推力，推动滑动环及滑动环上的固定件沿滑动杆朝向远离连接基部的方向移动。
28.进一步地，所述滑动杆沿圆周的侧壁上设置有限位滑轨，所述滑动环的内壁上设置有与限位滑轨相配合的限位滑槽。通过限位滑轨和限位滑槽的配合，防止滑动环绕滑动杆转动，使得固定件只能沿着滑动杆移动。
29.进一步地，所述固定件远离滑动环的端部设置有固定夹，所述固定夹用于夹持固定电流待测单元。优选地，所述滑动杆远离连接基部的一端设置有限位挡件。在实际使用过程中，两个辅助固定机构的固定夹将放入罗氏线圈的电流待测单元夹持固定，使得电流待测单元处于罗氏线圈内，配合第一固定组件和第二固定组件，让电流待测单元的中部稳定的处于罗氏线圈的中轴线上，同时，在松开对辅助固定机构的控制后，弹性件能自动对固定件施加推力，推动固定件沿滑动杆朝向远离连接基部的方向移动，进而使得两侧的固定夹能将电流待测单元向两端拉伸，从而有效的将电流待测单元拉直，使得电流待测单元呈拉直状态并处于罗氏线圈的中轴线上，保证测量系统对电流待测单元的微小电流的准确测量，有效提高了测量系统的测量精度和测量效率。
30.本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于罗氏线圈的非接触式微小电流测量系统，利用罗氏线圈检测电流待测单元的电流信号，通过放大电路模块对检测到的信号进行放大处理，再通过积分电路模块进行积分还原处理，实现对微小电流的精确测量，能将毫
其中，r3为第三电阻的电阻值，r4为第四电阻的电阻值。
38.具体地，所述罗氏线圈的线圈匝数d为25000匝。
39.具体地，所述罗氏线圈的内径、外径以及线圈高度的比值为2：3：1。
40.具体地，所述第二电阻的电阻值与第一电阻的电阻值的比值为5：1。
41.具体地，所述电容的电容值为4.7uf。
42.优选地，所述r1=10kω，r2=500kω，r3=200ω，r4=2000ω。
43.具体地，所述示波器与罗氏线圈连接，用于接收并显示罗氏线圈的电流信号。
44.具体地，所述罗氏线圈包括连接基部3、左半体1和右半体2，所述左半体1、右半体2分别为半环状结构，在左半体1内设置有左半环线圈，在右半体2内设置有右半环线圈，左半体1的一端和右半体2的一端分别与连接基部3转动连接，左半体1的另一端与右半体2的另一端可拆卸连接，在左半体1和右半体2处于闭合状态时，所述左半环线圈和右半环线圈构成闭合环。
45.具体地，所述左半体1的内侧侧壁上设置有第一固定组件4，所述右半体2的内侧侧壁上设置有第二固定组件5，所述第一固定组件4和第二固定组件5配合，用于将电流待测单元固定在罗氏线圈的轴线上。
46.具体地，所述第一固定组件4包括第一固定管401、第一伸缩杆402和第一夹持件403，所述第一固定管401与左半体1的内壁固定连接，第一固定管401内设置有第一弹力件404，所述第一伸缩杆402的一端与第一夹持件403固定连接，第一伸缩杆402的另一端与第一弹力件404连接，第一伸缩杆402部分位于第一固定管401内。
47.具体地，所述第一伸缩杆402靠近第一弹力件404的一端设置有第一卡件405，第一伸缩杆402通过第一卡件405与第一弹力件404连接，所述第一固定管401的端部设置有第一限位件406，所述第一限位件406用于将第一卡件405限位约束在第一固定管401内。
48.具体地，所述第一固定管401和第一伸缩杆402同轴设置，且第一伸缩杆402的延长线经过罗氏线圈的中轴线。
49.具体地，所述第二固定组件5包括第二固定管501、第二伸缩杆502和第二夹持件503，所述第二固定管501与左半体2的内壁固定连接，第二固定管501内设置有第二弹力件，所述第二伸缩杆502的一端与第二夹持件503固定连接，第二伸缩杆502的另一端与第二弹力件连接，第二伸缩杆502部分位于第二固定管501内。
50.具体地，所述第二伸缩杆502靠近第二弹力件的一端设置有第二卡件，第二伸缩杆502通过第二卡件与第二弹力件连接，所述第二固定管501的端部设置有第二限位件，所述第二限位件用于将第二卡件限位约束在第二固定管501内。
51.具体地，所述第二固定管501、第二伸缩杆502同轴设置，且第二伸缩杆502的延长线经过罗氏线圈的中轴线。
52.具体地，所述第一夹持件403和第二夹持件503均为“v”型结构，第一伸缩杆402与第一夹持件403的中部连接，第二伸缩杆502与第二夹持件503的中部连接。
53.具体地，所述左半体1、右半体2在闭合状态下呈环体，所述环体的两侧分别设置有辅助固定机构6，所述辅助固定机构6与连接基部3连接，辅助固定机构6用于将电流待测单元固定在环体的中轴线上。
54.具体地，所述辅助固定机构6包括滑动杆7、固定件8和弹性件11，所述滑动杆7与连
接基部3的侧壁固定连接，滑动杆7上套设有滑动环10，所述固定件8的一端与电流待测单元可拆卸连接，固定件8的另一端与滑动环10固定连接，所述弹性件11的两端分别与连接基部3、滑动环10连接。
55.具体地，常态下，所述弹性件11处于压缩状态，对滑动环10施加推力，推动滑动环10及滑动环10上的固定件8沿滑动杆7朝向远离连接基部3的方向移动。
56.具体地，所述滑动杆7沿圆周的侧壁上设置有限位滑轨12，所述滑动环10的内壁上设置有与限位滑轨12相配合的限位滑槽13。通过限位滑轨12和限位滑槽13的配合，防止滑动环10绕滑动杆7转动，使得固定件8只能沿着滑动杆7左右移动。
57.具体地，所述固定件8远离滑动环10的端部设置有固定夹9，所述固定夹9用于夹持固定电流待测单元。优选地，所述滑动杆7远离连接基部3的一端设置有限位挡件14，所述限位挡件14用于将滑动环10限制约束在滑动杆7上。在实际使用过程中，两个辅助固定机构6的固定夹9将放入罗氏线圈的电流待测单元进行夹持固定，使得电流待测单元处于罗氏线圈内，配合第一固定组件4和第二固定组件5，让电流待测单元的中部稳定处于罗氏线圈的中轴线上，同时，在松开对辅助固定机构6的控制后，弹性件11能自动对滑动环10施加推力，推动滑动环10及滑动环10上的固定件8沿滑动杆7朝向远离连接基部3的方向移动，进而使得两侧的固定夹9能将电流待测单元向两端进行拉伸，从而有效的将电流待测单元拉直，使得电流待测单元呈拉直状态并处于罗氏线圈的中轴线上，保证测量系统对电流待测单元的微小电流的准确测量，有效提高了测量系统的测量精度和测量效率。
58.使用时，打开罗氏线圈，将电流待测单元穿过罗氏线圈，并让电流待测单元平直地位于罗氏线圈的中轴线上，然后对电流待测单元进行电流检测；电流待测单元插入罗氏线圈中，并设定i为一余弦函数，其随时间t的变化关系为：其中，a表示电流信号的振幅，为电流信号的频率，为电流信号的初相位，为保证一般性，选取。
59.由安培环路定律以及法拉第电磁感应定律，可得罗氏线圈产生的感应电动势v0，具体为：其中，m为罗氏线圈的互感系数，其表达式为：其中，，为真空磁导率；d为罗氏线圈的线圈匝数；h为罗氏线圈纵截面的高度值，a为罗氏线圈内半径，b为罗氏线圈的外半径。
60.优选地，罗氏线圈选用线圈匝数=25000，a=2.00 cm，b=3.00 cm，h=1.00 cm。
61.根据上式，计算得知罗氏线圈的互感系数为m=2.03*10
‑5h，空心电流互感器是靠次级的多圈绕组提升信号幅度，这种做法可能会提高噪声幅度，造成低信噪比，但是在实际测量中并没有产生非常大的干扰。
62.当待测电流幅值a 较小时，从罗氏线圈直接输出电压信号的幅值将非常小，而在
放大电路模块的处理下，可将罗氏线圈产生的感应电动势v0放大输出，放大电路模块的输出电压信号v1的值为：然后，利用积分电路模块对放大电路模块的输出电压信号v1进行积分处理，输出积分电压信号v2，通过将测量的系统的电路单元参数控制为：并让r4=10r3，有效消除积分电路模块中的直流分量，提高测量系统的检测准确性；最终，积分电路模块的输出信号传递至示波器显示，并能实现将毫安级电流检测误差控制在5%以内。
63.实施例1如图1所示，利用电路仿真软件进行仿真分析，利用模拟函数信号发生器，模拟罗氏线圈的输出电压信号（即图1中将开关s1接通函数发生器）；设置仿真软件中函数信号发生器的频率为f=1000 hz，振幅参数为a=0.2 mv，闭合开关s1、s2，开启仿真模拟；如图5所示，打开仿真软件的模拟示波器，在模拟示波器上得到仿真结果。
64.其中，模拟示波器的显示参数设置为：在水平方向上每大格代表0.5 ms；在垂直方向上每大格代表0.2 mv；从图5 中可以看出，仿真结果为一振幅为0.2 mv、频率为1000 hz，且直流分量为0 的正弦曲线；这说明，通过如图1 所示的设计电路，可准确还原输入的电流信号的振幅，证明了设计测量系统的可行性。
65.实施例2组建测量系统，使用一台函数信号发生器输出的交流电压，串联一个50 ω 的负载电阻，并将闭合回路导线非接触地穿过罗氏线圈来实现。调节函数信号发生器的输出电压，即可改变穿过罗氏线圈电流的大小。
66.当设置穿过罗氏线圈的电流大小为0.2 ma时，即函数信号发生器的输出电压为0.01 v 时，从示波器上测量得到，示波器的显示设置为，水平方向一大格为0.5 ms，垂直方向一大格为0.2 mv。通过记录，在示波器上得到了一个振幅为0.22 mv、频率为1000 hz 的正弦曲线信号；与输入电流的振幅0.2 ma 相比，可以证明设计的电路能够恢复出原始输出的电流振幅信号大小。
67.为了进一步说明设计电路的适用性，在不改变负载电阻参数值的情况下，通过改变函数信号发生器的输出电压，也即改变通过罗氏线圈中的电流大小，利用示波器测量电路输出电压随罗氏线圈中通过的微小电流振幅之间的关系，其测量结果，如图6所示，其中，“ ”表示实验测量数据，图6中的斜线表示线性拟合的理论结果。
68.当输入电流为0.2 ma时，在示波器上得到的实测实验数据具体如下：
当输入电流分别为0.2 ma、0.4 ma、0.6 ma、0.8 ma、1.0 ma、1.2 ma时，在示波器上得到的实测实验数据具体如下：如图6所示，从图6中可以看出，当通过罗氏线圈的微小电流振幅从0.2 ma改变到1.2 ma时，设计出的电路均能够准确地进行测量，进一步表明测量系统能够准确地测量出电流回路中的电流信号振幅值。
69.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。