[发明专利]一种测量雷电流的无磁芯电流传感器

权利要求书

1.一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，其特征在于，包括圆环形印刷电路板和六个无磁芯的磁传感器，所述六个无磁芯的磁传感器均匀安装于所述圆环形印刷电路板上，搭建用于测量雷电流的圆形阵列；在圆形阵列中心穿设横截面为矩形的长直扁平被测导体；

所述无磁芯电流传感器进行雷电流测量时采用基于对小部分磁场测量的数字处理方法，将流经圆形阵列内部导体的电流与回流电流分开，以降低外部串扰导致的串扰误差，提高电流传感器的测量准确度；

所述基于对小部分磁场测量的数字处理方法包括以下步骤：

搭建磁传感器组成的圆形阵列的数学模型，得到待测电流与六个磁传感器输出的关系；

构建圆形阵列串扰误差的表达式；

进行串扰误差抑制；

在圆环形印刷电路板上均匀安装所述六个无磁芯的磁传感器，组成圆形阵列；令S₁～S₆表示六个无磁芯的磁传感器，角度α表示导体中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，角度θ₁表示被测导体边缘中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，D表示导体边缘到中心的距离，r表示传感器中心到导体中心的距离，rD，I₁表示导体的边缘电流，电流I₁不在圆形阵列的中心；其中r由标量势和α计算得到：

磁标势写成：

因此，磁场沿圆形印刷电路板的切向分量表示为：

在六个等分布的磁传感器组成的圆形阵列下，通过斯托克斯定律的离散逼近，得到方程：

上式中，表示所测电流的平均值，N为传感器总个数，θ_i表示导体边缘中心到第i个传感器中心与导体水平线之间的夹角，其由下式得到：

式中，α₁为S₁传感器中心到导体中心与导体水平线之间的夹角；

考虑到由于连续求和而产生的变化，计算得到电流关系如下：

上式中

式中，k为一常数；

通过化简得到电流的表达式为：

考虑到位移所导致的误差，其遵循数学表达式：

式中，ε表示位移所导致的误差；

由于扁平导体形状误差的理论高度为零，且高度远小于宽度，假设扁平导体宽度为b，中心电流密度为I₁/b的扁平导体形状引起的误差，通过沿x轴积分，得到以下方程：

对上式进行化简，得到：

当圆形阵列工作在无外部串扰场的环境中时，各传感器信号之和与流经扁平导体上电流大小呈现正比关系；以I表示流经扁平导体的电流实际值，V_n表示传感器的输出电压，V₀表示传感器输出电压的平均值，N为传感器数量，S为磁场灵敏度且所有传感器的灵敏度相同，K为取决于导体横截面几何结构的尺寸系数，d为圆形阵列半径；得到电流的表达式如下：

当存在外部的串扰场时，由圆形阵列外部电流产生的磁场效应引起的相对测量误差，即为串扰误差，假设外部干扰源为C，则C遵循下式：

在坐标处串扰源引起的磁传感器信号为：

在上式中：

c₀＝0

由于基波分量不受环境空间均匀场影响，因此不考虑其影响；由于离散傅里叶变换的线性关系，假设V_m为传感器信号通过离散傅里叶变换所得到，则为了计算I^bar，下述两非线性方程组进行倒置；

上式中未知数x＝I^bar，y＝I^c，z＝d/D，为圆形阵列上传感器的输出电压。

2.根据权利要求1所述的一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，其特征在于，所述圆环形印刷电路板上设有加法器和滤波器，所述加法器用于将各个磁传感器采集的电压进行叠加，所述滤波器用于降低噪声的干扰。