一种微弱电流信号锁频检测装置的制作方法

1.本实用新型属于电流信号检测技术领域，具体涉及一种微弱电流信号的检测装置。


背景技术：

2.在电网配电系统中，受各种因素的影响，电表的安装顺序关系和电网的拓扑结构关系存在差异，这种户变关系的差异会导致电网存在三相不平衡的问题，造成配电网不必要的线损，浪费电能，影响用电设备的安全运行。对于户变关系的排查，目前常用的手段有：人工排查线路、停电识别法、工频过零序列相关性识别、电压曲线相关性识别等，但这些手段存在不能快速、准确识别的不足。基于拓扑识别来判断户变关系时需要向电网线路中注入一定大小的特征信号作为识别特征。所注入的特征信号的大小一般为100ma～300ma，当注入的特征信号过大时会对电网的正常运行带来影响，为了降低对电网运行的影响，通常选择注入比较小的特征信号，但在电网中提取微弱的特征信号存在着干扰信号大、信号不容易识别、识别成功率低的困难。
3.对于采集到的微弱信号一般会进行放大后再进行相应的信号处理，而一般的放大器在放大有用信号的同时也会将噪声等干扰信号进行放大，为此通常采用锁定放大器对信号进行采集放大，锁定放大器在检测有用信号的同时能够通过对相位的锁定，有效抑制噪声等干扰信号。图1为锁定放大器的电路框图，锁相放大器的主要工作原理如下：待测信号us＝u
sm
cos[(ω0 δω)t θ]经过滤波后，与参考信号ur＝u
rm
cosω0t一起输入至相敏检波器，δω为待测信号和参考信号的频率差，θ为待测信号和参考信号的相位差；相敏检波器的输出信号u0＝usur＝(u
smurm
/2){cos(δωt θ) cos[(2ω0 δω)t θ]}，输出信号u0中既包含和频分量2ω0也包括差频分量u0’
＝(u
smurm
/2)cos(δωt θ)，当相敏检波器的输出信号u0经过锁定放大器后级的低通滤波器后，u0中的交流分量被滤除掉，只剩下包含有效信息的差频分量u0’
。当待测信号和参考信号同频时，即δω为零，则低通滤波器输出的信号u0’
可进一步简化为：u0’
＝(u
smurm
/2)cosθ。此时低通滤波器输出的信号u0’
中只剩下直流分量的信息，而待测信号和参考信号的相位差θ会影响输出信号的幅度大小，当θ为0时，cos(0)＝1，输出的信号最大，θ为90时，cos(0)＝0，输出的信号为零。只要θ≠90，则经锁相放大器后都会存在着直流输出信号。
[0004]
从以上的分析可知，要想实现精准的信号锁定，就要求待测信号与参考信号同频，而在实际测量过程中，没有办法定量控制测量系统所接受到的待测信号，只能通过参考信号通道的压控振荡器的自动调节来实现对待测信号的锁定，只有确保参考信号和待测信号同步，使参考信号和待测信号同频才能够精准的实现信号锁定，这对参考通道的制作调试的要求以及难度都很高。而且即使能满足参考信号和待测信号同步的要求，在干扰噪声大的环境下仍会存在同频信号的干扰，这些干扰量不利于对电流的检测。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的目的在于提供一种可以提高微弱信号检测灵敏度以及抗干扰能力的微弱电流信号锁频检测装置。
[0006]
为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：
[0007]
一种微弱电流信号锁频检测装置，包括：依次相连的磁场检测单元、信源处理单元、信号提取单元及直流信号提取单元；所述磁场检测单元用于检测微弱电流信号产生的磁场，并输出包含有微弱电流频率信息的信号；所述信源处理单元用于对所述磁场检测单元输出的信号进行放大和滤波；所述信号提取锁定单元用于对微弱电流信号的频率进行锁定，使其输出的信号跟随微弱电流信号的频率而变化；所述直流信号提取单元对所述信号提取锁定单元输出的信号进行交直流分离，最后输出直流信号信息。
[0008]
作为本实用新型微弱电流信号锁频检测装置一种可选的技术方案，所述磁场检测单元为tmr磁场传感器。
[0009]
作为本实用新型微弱电流信号锁频检测装置一种可选的技术方案，所述信源处理单元包括依次连接的仪表放大器和高通滤波器。
[0010]
作为本实用新型微弱电流信号锁频检测装置一种可选的技术方案，所述信号提取锁定单元包括依次连接的带通滤波器和乘法器。
[0011]
更具体的，所述带通滤波器为窄带带通滤波器。
[0012]
更具体的，所述带通滤波器的带宽为微弱电流信号频率的5％。
[0013]
更具体的，所述带通滤波器输出的信号经过所述乘法器自乘，得到微弱电流信号的倍频量及差频量，将微弱电流信号的频率信息锁定在所述乘法器输出的信号中。
[0014]
作为本实用新型微弱电流信号锁频检测装置一种可选的技术方案，所述直流信号提取单元为快速滤波器。
[0015]
由以上技术方案可知，本实用新型采用磁场检测单元通过检测微弱电流磁场的方式间接采集特征信号，磁场的有无代表了信号的有无，通过磁场检测单元检测后再通过锁相放大器，相比于常规锁相放大器直接检测的方式，具备了一定的信号筛选辨别功能，使得锁相放大器对于待测信号采集的灵敏度得到提高，而且可以降低大电流环境中噪声、同频信号等干扰量对微弱电流检测的影响；同时通过信号提取锁定单元对特征信号的频率进行锁定，其输出的信号跟随所采集的特征信号的频率而变化，通过对信号进行锁频处理，解决传统锁相放大器的微弱信号采集过程中对待测信号以及参考信号的同步要求，降低90
°
相位差异对输出信号幅度的影响。本实用新型的微弱电流锁频检测装置提高了微弱信号的检测灵敏度，可以降低噪声以及干扰信号对与有用信号的影响，从而提高电流检测装置的抗干扰能力。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]
图1为锁定放大器的电路框图；
[0018]
图2为本实用新型实施例的电路框图；
[0019]
图3为本实用新型实施例的原理流程图。
[0020]
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
[0021]
为了让本实用新型的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本实用新型实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
[0022]
实践发现，直接在大电流环境中检测微弱电流检测的难度很高，但电流周围会产生磁场，本实用新型通过间接检测的方式，通过检测微弱电流产生的磁场来实现对微弱电流的检测，不同强度的电流会产生的不同场强的磁场，通过检测磁场的方式来检测电流可以降低大电流环境中干扰信号对微弱电流检测的影响，提高检测系统的抗干扰能力。
[0023]
如图2和图3所示，本实施例的微弱电流信号锁频检测装置包括依次连接的磁场检测单元1、信源处理单元2、信号提取锁定单元3及直流信号提取单元4。其中，磁场检测单元1用于检测微弱电流(特征信号)产生的磁场，并向信号处理单元2输出采集到的信号。信号处理单元2用于对磁场检测单元1输出的信号进行预处理，以去除干扰信号，使信号便于识别。信号提取锁定单元3用于对特征信号的频率进行锁定，使其输出的信号跟随所采集的特征信号的频率而变化，特征信号的频率信息包含在信号提取锁频单元3输出的信号中。直流信号提取单元4用于对信号锁定提取单元输出的信号进行交直流分离，最后输出直流信号信息，实现对微弱电流信号的采集检测。
[0024]
tmr磁场传感器具有很高的灵敏度，因此磁场检测单元1优选采用tmr磁场传感器，tmr磁场传感器对微弱电流产生的磁场进行采集，得到微弱电流的特征量，该特征量就是微弱电流的频率信息。磁场检测单元1将采集到的信号输出至信源处理单元2进行预处理。
[0025]
本实施例的信源处理单元2包括依次连接的仪表放大器和高通滤波器，仪表放大器用于对特征信号进行初步放大处理，以便于后续电路的识别，高通滤波器用于对磁场检测单元1输出的信号进行过滤处理，将特征信号频率范围之外的干扰信号、噪声信号过滤掉，降低电路环境中的干扰量。
[0026]
经信源处理单元2预处理过的信号传送至信号提取锁定单元3，本实施例的信号提取锁定单元3包括依次连接的带通滤波器(bpf)和乘法器。带通滤波器的带宽为特征信号(微弱电流信号)频率的5％，如，特征信号频率为100k，则带通滤波器的带宽为5k，带通滤波器的频率带宽范围则为100k
±
2.5k，频带越窄，输出信号的信噪比越高，从而带通滤波器能够提高输出信号的信噪比，降低噪声以及干扰信号对与有用信号的影响，提高抗干扰能力，同时带通滤波器可以再次放大经仪表放大器处理过后的信号。乘法器用于对信号进行锁频处理，带通滤波器输出的信号经过乘法器自乘，得到两个包含特征信号频率信息的信号，分别是特征信号的倍频量以及差频量，经过乘法器自乘后特征信号中的频率信息锁定在输出信号之中。通过信号提取锁定单元的锁频作用，其输出的信号能够跟随所采集的特征信号的频率而自行调整，特征信号的频率信息包含在锁频输出的信号内。与常规锁相放大器的结构相比较，本实用新型采用滤波器加单路乘法器的组合，通过窄带的带通滤波器来限制乘法器自乘信号的带宽，待测信号通过乘法器自乘锁定实现常规锁定放大器中的相敏检波的功能，结构更为简单，不需要另外设计的参考信号通道以及相敏检波电路，特征信号的自
乘就可以确保待测信号与参考信号的同频，最大限度地降低信号相位差带来的影响。
[0027]
本实施例的直流信号提取单元4采用快速滤波器，对信号提取锁定单元3输出的信号进行交直流分离，提取出其中的直流信号。特征信号经过乘法器自乘后，倍频的特征信号中可能存在着其他的频率的交流分量，这会影响微弱信号的准确识别，而差频分量中只包含直流分量，不存在其他频率分量的干扰，因此通过直流信号提取单元3提取出直流分量(即差频分量)，检测输出的直流分量就能够实现对微弱特征信号的采集检测。
[0028]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。