一種新型光電式電流傳感器的設(shè)計(jì)

一種新型光電式電流傳感器的設(shè)計(jì)

1電流采樣及信號(hào)變換傳感光學(xué)電源具有良好的電絕緣性能、大的測(cè)量范圍和良好的頻率響應(yīng)性。廣泛應(yīng)用于電氣系統(tǒng)測(cè)量、故障監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。目前,除了基于磁光玻璃或光纖的法拉第磁光效應(yīng),以及個(gè)別利用新型磁光材料、光纖光柵等的光學(xué)電流傳感器以外,還有一類光電子式電流傳感器,它們通常采用空芯線圈、模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路以及發(fā)光二極管(LED)等實(shí)現(xiàn)電流采樣及信號(hào)變換,并由光纖傳輸電流傳感信號(hào)。這類光電子式電流傳感器具有可實(shí)現(xiàn)絕緣測(cè)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn),但其傳感方案中采用的Rogowski線圈和A/D變換電路等限制了電流傳感器的頻率響應(yīng)特性,且易受外界雜散電磁場(chǎng)的干擾。脈沖電流(PC)以及瞬態(tài)沖擊電流的測(cè)量具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。但目前傳感方案中Rogowski線圈的固有電感特性限制了其頻率響應(yīng),而采用A/D變換電路的數(shù)字測(cè)量方法雖然可以提高傳感器的信噪比(SNR),但一般具有較長(zhǎng)的響應(yīng)延遲時(shí)間,不宜用于脈沖或瞬態(tài)沖擊電流的傳感。顯然,利用取樣電阻比利用電感性或電容性元件實(shí)現(xiàn)脈沖電流采樣具有更好的頻率響應(yīng)特性。依據(jù)此設(shè)計(jì)思想,并參考文獻(xiàn)、中報(bào)道的光電式脈沖電場(chǎng)傳感器,本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種利用取樣電阻和場(chǎng)效應(yīng)晶體管管(FET)的光電式電流傳感器,可用于傳感直流電流(DC)、方波脈沖電流脈沖以及工頻交流電流(AC)。2led的測(cè)量過程如圖1所示,被測(cè)電流i(t)由無感取樣電阻R1轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),利用FET的轉(zhuǎn)移特性將電壓信號(hào)線性放大并轉(zhuǎn)換為FET的漏-源(D-S)極電流ID,并用以驅(qū)動(dòng)LED。與被測(cè)電流i(t)成正比的光傳感信號(hào)經(jīng)由塑料光纖(POF)傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器(PD),再經(jīng)過光電檢測(cè)和信號(hào)處理電路即可獲知被測(cè)電流信號(hào)。圖中,R2為L(zhǎng)ED所在回路的限流電阻,電壓源Vs1用于提供FET的工作偏置電壓,電壓源Vs2用于提供LED的工作電流。根據(jù)圖1,對(duì)于電流取樣電阻R1及FET的柵-源(G-S)極所在的回路,按照?qǐng)D示被測(cè)電流i(t)的參考方向,由基爾霍夫電壓定律可得VGS=Vs1+i(t)R1(1)式中:VGS為FET的G-S極電壓。設(shè)使FET導(dǎo)通的閾值電壓為VT,則當(dāng)VGS≧VT時(shí),FET導(dǎo)通。若此時(shí)其漏極電流為ID,則對(duì)于FET的D-S極及LED所在的回路有Vs2=Vm+ID(R2+rDS+rLED)(2)式中:Vm為L(zhǎng)ED導(dǎo)通時(shí)的端電壓;rDS為FET導(dǎo)通時(shí)的D-S極間內(nèi)電阻(很小,如～0.5Ω);rLED為L(zhǎng)ED的導(dǎo)通電阻,由其伏安關(guān)系確定。由FET的轉(zhuǎn)移特性可知,ID與VGS之間的關(guān)系為ID=ID0(VGSVT?1)2(3)ΙD=ΙD0(VGSVΤ-1)2(3)式中,ID0為VGS=2VT時(shí)的漏極電流。由式(2)、(3)可知,ID的靜態(tài)值除了與Vs2和R2等有關(guān),還同時(shí)被信號(hào)電壓VGS調(diào)制。LED的發(fā)光功率Po正比于其端電壓與驅(qū)動(dòng)電流的乘積,但一般LED正常發(fā)光后其端電壓Vm基本保持不變(例如1.5V);由圖1可知,LED的驅(qū)動(dòng)電流即為ID,因而有Po=ηexVmID(4)式中:ηex為L(zhǎng)ED的外量子效率。上述式(1)～(4)表明,通過檢測(cè)LED的發(fā)光功率Po的變化,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電流i(t)的光學(xué)傳感與測(cè)量。將LED發(fā)出的信號(hào)光耦合進(jìn)POF并傳輸?shù)絇D,即可獲得與信號(hào)光功率Po相關(guān)的電信號(hào)。對(duì)于不同性質(zhì)的被測(cè)電流(DC或AC),可以選擇FET的不同靜態(tài)工作點(diǎn)以及不同的光電信號(hào)檢測(cè)方式。2.1pd的線性化傳感機(jī)理當(dāng)被測(cè)電流為DC時(shí),以IRF510型FET為例,分析如何選擇FET的靜態(tài)工作點(diǎn),以及相應(yīng)的光電信號(hào)檢測(cè)方式。IRF510是一種N溝道增強(qiáng)型FET。圖2為IRF510在兩個(gè)結(jié)溫下的典型轉(zhuǎn)移特性曲線,反映了D-S極電流ID與G-S極電壓VGS之間的變換關(guān)系。對(duì)于正向DC測(cè)量,為了獲得較大的線性測(cè)量范圍,可選擇圖中A點(diǎn),即VGS略大于VT的點(diǎn)為FET的靜態(tài)工作點(diǎn)。此外,由上述式(1)、(3)和(4)可知,光功率Po與被測(cè)電流i(t)之間存在含有i(t)的平方項(xiàng)的非線性關(guān)系,為了實(shí)現(xiàn)線性化測(cè)量,可以采用PD的開路電壓作為傳感器輸出。此線性化傳感機(jī)理分析如下:對(duì)于PN結(jié)型半導(dǎo)體PD,當(dāng)其開路電壓uoc?kBT/e(≈0.0255V,對(duì)于T=298K)時(shí),uoc可近似表示為uoc=kBTeln(IphIps)=kBTeln(C0SdPoIrs)(5)uoc=kBΤeln(ΙphΙps)=kBΤeln(C0SdΡoΙrs)(5)式中:kB為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度;e為電子電量;Iph為與Po成正比的光電流;Irs為PN結(jié)反向飽和電流;C0表示從LED到PD之間光信號(hào)耦合與傳輸系數(shù),包括POF中的光傳輸損耗;Sd為PD的光電轉(zhuǎn)換靈敏度。將式(1)、(3)和(4)代入式(5)并令i(t)=I可得uoc=kBTe[K0+2ln(Vs1+IR1VT?1)](6)uoc=kBΤe[Κ0+2ln(Vs1+ΙR1VΤ-1)](6)式中K0=lnC0SdηexVmID0Irs(7)Κ0=lnC0SdηexVmΙD0Ιrs(7)是與器件參數(shù)相關(guān)的系數(shù)。式(6)即為uoc與I之間的函數(shù)關(guān)系。此時(shí),若設(shè)置Vs1≈VT,并適當(dāng)選取I和R1使得IR1?VT(例如至少10IR1<VT),則式(6)可近似為uoc≈kBTe(K0?2C1+2C2R1VTI)(8)uoc≈kBΤe(Κ0-2C1+2C2R1VΤΙ)(8)式中,C1、C2為常數(shù)。可見,此時(shí)uoc與被測(cè)電流I之間存在近似線性關(guān)系。2.2傳感器輸出電壓的測(cè)量對(duì)于脈沖電流與AC的測(cè)量,可選擇圖2中ID-VGS關(guān)系曲線上近似線性區(qū)域的中點(diǎn)作為FET的靜態(tài)工作點(diǎn),例如點(diǎn)B;同時(shí)利用PD的光電流作為傳感器的基本輸出量,因?yàn)楣怆娏髂Ｊ较翽D具有更好的頻率響應(yīng)特性。與光功率Po成正比的光電流經(jīng)電流-電壓線性變換、放大后的電壓信號(hào)uo(t)為uo(t)=C0SdA1Po(9)式中,參數(shù)C0和Sd與式(5)相同;A1為光電檢測(cè)電路的電流-電壓變換、放大系數(shù)。當(dāng)選擇點(diǎn)B為FET的靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí),應(yīng)設(shè)置Vs1=VT+ΔVT,并將式(1)、(3)和(4)代入式(9)可得傳感器輸出電壓為uo(t)=K1(ΔVTVT+R1VTi(t))2=K1[(ΔVTVT)2+2ΔVTR1V2Ti(t)+(R1VTi(t))2](10)uo(t)=Κ1(ΔVΤVΤ+R1VΤi(t))2=Κ1[(ΔVΤVΤ)2+2ΔVΤR1VΤ2i(t)+(R1VΤi(t))2](10)式中K1=C0SdA1ηexVmID0(11)為另一個(gè)與器件參數(shù)相關(guān)的系數(shù)。式(10)表明,uo(t)與i(t)之間為非線性關(guān)系?？煽紤]利用對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)線性測(cè)量,但對(duì)于高頻或脈沖電流的測(cè)量,應(yīng)考慮現(xiàn)有對(duì)數(shù)放大器的有限頻率響應(yīng)特性。此外,根據(jù)式(10),如果將uo(t)的交流分量uoac(后兩項(xiàng))與直流分量uuodc(第1項(xiàng))分離并相除,可得輸出電壓信號(hào)為uo1(t)=uoacuodc=2R1ΔVTi(t)+(R1ΔVTi(t))2(12)uo1(t)=uoacuodc=2R1ΔVΤi(t)+(R1ΔVΤi(t))2(12)與式(10)比較可知,利用式(12)獲得傳感器輸出信號(hào)uo1(t)的主要優(yōu)點(diǎn)是它與C0、Sd、A1、ηex、ID0和Vm等器件參數(shù)無關(guān),從而可以極大提高傳感信號(hào)對(duì)環(huán)境溫度及震動(dòng)等擾動(dòng)的抑制能力,特別是可以去除LED的發(fā)光效率ηex隨溫度的變化對(duì)傳感信號(hào)的影響。但由式(12)可知,傳感器靈敏度仍與ΔVT有關(guān),其溫度特性將直接影響傳感器的溫度穩(wěn)定性,應(yīng)設(shè)法補(bǔ)償。3電路工作原理和測(cè)量電路根據(jù)圖1所示電流傳感機(jī)理,設(shè)計(jì)制作了光電式電流傳感單元以及光電信號(hào)檢測(cè)與處理電路。其中FET的選擇主要應(yīng)考慮:1)ID-VGS轉(zhuǎn)移特性曲線上具有較大的線性調(diào)制區(qū)間;2)對(duì)于脈沖電流測(cè)量,應(yīng)選擇響應(yīng)速度快的FET。以下分別對(duì)DC、方波脈沖電流以及工頻AC進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,其中DC測(cè)量選擇了IRF510型FET,工頻AC和方波脈沖電流的測(cè)量選擇了性能相似的IRF532型FET。圖1電路中,取樣電阻R1=0.02Ω,其額定功率為20W,故其總的最大允許電流約為31.6A,故當(dāng)被測(cè)電流I=15A時(shí),IR1=0.3V。電路中,電壓源Vs1、Vs2均為干電池,因IRF510型和IRF532型FET的閾值電壓VT≈3.0V,故DC測(cè)量時(shí)設(shè)置Vs1略大于3.0V,脈沖電流和AC測(cè)量時(shí)設(shè)置Vs1≈3.2V。此外,電壓源Vs2≈3.7V,限流電阻R2=27Ω,Vm≈1.5V,rDS≈0.5Ω,此時(shí)ID約為1～10mA,紅光LED的中心波長(zhǎng)約為650nm,所用POF的纖芯直徑為0.98mm。3.1數(shù)學(xué)模型及非線性誤差分析被測(cè)DC取自北京大華公司生產(chǎn)的DH1716-4D型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。實(shí)驗(yàn)電流回路中,串聯(lián)了一個(gè)0.1Ω/50W的電阻作為模擬負(fù)載,使電源工作在恒流方式,電流值由41/2位數(shù)字萬用表讀取。PD采用Si光電池,其開路電壓Uoc作為電流傳感輸出信號(hào),并由數(shù)字萬用表(UT39E型)直接測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),測(cè)量了0.03～17.00A范圍內(nèi)的DC,一組典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其線性擬合直線如圖3所示,線性擬合得到的關(guān)系式為Uoc≈0.00359I+0.342/V,其非線性誤差小于0.44%。可見,Uoc與I之間具有很好的線性關(guān)系,與式(8)相符。3.2傳感器輸出電壓峰-峰值uopp被測(cè)方波脈沖電流由3A/32V穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、方波信號(hào)發(fā)生器、FET和8Ω/25W限流電阻相結(jié)合產(chǎn)生。IRF532型FET的階躍響應(yīng)的典型導(dǎo)通延遲時(shí)間為12ns,關(guān)斷延遲時(shí)間為25ns。LED的電光頻率響應(yīng)帶寬一般不低于幾MHz,如文獻(xiàn)給出一種紅光LED的響應(yīng)帶寬為6.1MHz。采用Si-PIN型PD,其脈沖響應(yīng)上升時(shí)間約為3ns。利用光電流-電壓變換與放大后的電壓信號(hào)作為傳感器輸出,如式(10)所示。信號(hào)放大采用了高速集成運(yùn)算放大器,其-3dB帶寬大于1GHz。當(dāng)被測(cè)方波電流峰-峰值為1A、頻率為2kHz時(shí),由數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄的被測(cè)電流ip以及相對(duì)應(yīng)的傳感輸出電壓信號(hào)uo波形如圖4(a)所示,其中ip取自與R1串聯(lián)的電流開關(guān)管FET的D-S極間電壓?？梢?脈沖前后邊沿分別重合。在0～1A峰-峰值電流范圍內(nèi),對(duì)電流幅值響應(yīng)特性測(cè)量數(shù)據(jù)及其非線性擬合曲線如圖5所示,傳感器輸出電壓峰-峰值Uopp與被測(cè)電流峰-峰值Ipp之間的多項(xiàng)式擬合函數(shù)關(guān)系為Uopp≈-0.1+27.8Ipp-7.2I2pp/mV。為了觀測(cè)電流傳感信號(hào)uo的響應(yīng)延遲時(shí)間,對(duì)如圖4(b)所示被測(cè)電流與傳感器輸出信號(hào)波形的上升邊沿(虛線內(nèi)部)進(jìn)行了放大觀測(cè)發(fā)現(xiàn),上升沿中包含了信號(hào)過沖與振蕩現(xiàn)象,如圖4(c)所示,示波器時(shí)間單位為250ns/div。可見,除了起始部分有些異?；円酝?上方uo與下方ip波形基本一致,但uo比ip延遲了約Δt≈160ns的時(shí)間。圖4(b)和(c)對(duì)應(yīng)于被測(cè)電流頻率為359Hz、峰-峰值為0.2A。波形起始部分的異?；兛赡芘c電路中元器件實(shí)際特性有關(guān),尚待分析與改進(jìn)。3.3輸出電壓信號(hào)被測(cè)AC取自工頻(50Hz)市內(nèi)用電,用自耦調(diào)壓器串聯(lián)10Ω/2kW的固定電阻即可獲得可調(diào)被測(cè)電流Iac,調(diào)壓器的電壓調(diào)節(jié)范圍為0～250V、額定功率為3kW。光傳感信號(hào)由Si-PIN型PD變換為光電流信號(hào),再經(jīng)過光電流-電壓變換與放大,以及AC、DC分量的分離與相除運(yùn)算,可以得到與式(12)對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所用運(yùn)算電路原理與文獻(xiàn)基本相同。當(dāng)被測(cè)電流有效值分別為Iac=2A和Iac=4A時(shí),傳感器輸出電壓信號(hào)如圖6所示。由圖6(a)可見,當(dāng)Iac=2A時(shí),傳感信號(hào)波形為較理想的正弦波;由圖6(b)可見,當(dāng)Iac=4A時(shí),波形已明顯畸變。表明被測(cè)電流增大時(shí),傳感器呈現(xiàn)非線性響應(yīng),即式(12)中的電流平方項(xiàng)不能被忽略。令式(12)中i(t)為不同幅值的正弦電流進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)仿真表明,圖6的信號(hào)波形與式(12)一致。在Iac=0.002～5.000A范圍內(nèi),輸出電壓有效值隨AC變化的一組典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其多項(xiàng)式擬合曲線如圖7所示,擬合曲線的函數(shù)關(guān)系式為Uo≈0.013+1.383Iac-0.080I2ac/V。4電流傳感器的選用上述傳感機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:測(cè)量DC時(shí),應(yīng)設(shè)置FET的偏置電壓稍大于其閾值電壓VT(如圖2中的A點(diǎn)),并選擇PD的開路電壓作為傳感器的輸出量,可以在FET轉(zhuǎn)移特性曲線允許的較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)DC的線性測(cè)量;測(cè)量AC時(shí),應(yīng)選擇FET轉(zhuǎn)移特性曲線上近似線性區(qū)間的中點(diǎn)(如圖2中的B點(diǎn))為其偏置電壓,并選擇PD的短路電流及其變換電壓信號(hào)作為傳感器的輸出量,此時(shí)傳感器輸出的線性特性與被測(cè)電流幅值以及取樣電阻大小直接相關(guān),輸出電壓與被測(cè)電流之間一般為非線性關(guān)系,在一定范圍內(nèi)可近似為線性關(guān)系。本文提出的電流傳感器的脈沖及頻率響應(yīng)特性主要取決于FET、LED和PD等元器件以及光電檢測(cè)電路;目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果為脈沖電流響應(yīng)延遲時(shí)間約為160ns。與以往文獻(xiàn)中的光纖電場(chǎng)傳感電路相比,圖1所示電路用電流取樣電阻代替了文獻(xiàn)中的天線