CN114859097A - 一种电流传感器及电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流传感器及电流检测方法，该电流传感器包括激励源单元、第一磁通门检测单元和扩展模块，所述扩展模块包括第二磁通门检测单元、开关单元和被测线圈；所述激励源单元分别与所述第一磁通门检测单元和所述第二磁通门检测单元连接；所述第一磁通门检测单元的电流输出端与所述开关单元的输入端连接；所述被测线圈的输入端与所述开关单元的输入端连接；所述开关单元的导通状态基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定；该电流检测方法基于该电流传感器，通过补偿电流计算待测电流。本申请解决了电流传感器在待测电流大动态范围变化时无法保持较高的信噪比的问题，保证了电流测量的高精度。

Description

一种电流传感器及电流检测方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其是涉及一种电流传感器及电流检测方法。

背景技术

目前的电流传感器为单一量程的比例变换设备，由于其次级线圈已固化在传感器内部，其量程单一，由于信噪比的存在，影响测量准确度。特殊根据不同的应用场景需求，电流传感器的信噪比要求不太一致，特别是高能物理领域，被测信号动态范围较大，单一量程的电流传感器通常无法保证大动态范围下的较高的信噪比，即无法保证大动态范围下的准确度。

现有技术中，激励源以一定频率的周期信号通过激励线圈激励磁芯至饱和，待测电流IP=0时，磁芯保持磁平衡。若待测电流IP =x时，该待测电流打破了磁平衡，解调器检测出该平衡，驱动伺服源产生补偿电流IS施加到磁芯上，使得磁芯恢复平衡；待测电流匝数记做WP，二次补偿线圈匝数记做WS，则此时 WP*IP=WS*IS；即待测电流IP =WS/WP *IS 。

电流传感器一旦确定，同时工作的WS/WP为一个常量，待测电流IP的大动态变化引起二次电流IS的大动态变化，但是系统噪声基本不随待测电流IP改变，因此二次电流IS的信噪比会随待测电流的减小而降低，从而损失测量精度。

若WP/WS=1/4000，当待测电流IP=4000A，则IS=1A，假设系统噪声为10uA，则信噪比为100dB；

当待测电流IP=40A时，IS=10mA，此时信噪比为60dB，测量准确度降低。

若WP/WS=1/400，由于只有一个比例线圈，若IP=4000A，此时，由于伺服源输出能力限制，不能输出10A电流，则此时电流传感器输出数据无效，且传感器进入过载状态，存在使传感器磁芯饱和的风险。

发明内容

本发明的目的是解决电流传感器在待测电流大动态范围变化时无法保持较高的信噪比的问题，提供了一种电流传感器。

为了解决上述问题，本发明采用以下的技术方案。

一种电流传感器，包括激励源单元、第一磁通门检测单元和扩展模块，其中，所述扩展模块包括第二磁通门检测单元、开关单元和被测线圈；

所述激励源单元分别与所述第一磁通门检测单元和所述第二磁通门检测单元连接；

所述第一磁通门检测单元用于检测待测电流，根据所述待测电流生成第一补偿电流，并从所述第一磁通门检测单元的电流输出端输出所述第一补偿电流；所述第一磁通门检测单元的电流输出端与所述开关单元的输入端连接，所述开关单元的输出端接地；

所述被测线圈的输入端与所述开关单元的输入端连接，所述被测线圈的输出端接地；

所述第二磁通门检测单元，用于检测所述被测线圈内的电流，并从所述第二磁通门检测单元的电流输出端输出第二补偿电流，其中，所述开关单元的导通状态基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定。

在其中的一些实施例中，所述第一磁通门检测单元和所述第二磁通门检测单元均包括：激励线圈、激励磁芯、去耦线圈、去耦磁芯、检测线圈、检测磁芯、补偿线圈、解调器、功放、第一电阻、第二电阻；所述激励源单元输出端分别与所述去耦线圈输入端、所述激励线圈输入端和所述解调器输入端连接，所述激励线圈输出端、所述去耦线圈输出端和所述检测线圈输出端均与所述解调器输入端连接，所述去耦线圈输出端与所述第一电阻一端连接，所述第一电阻另一端接地；所述激励线圈输出端与所述第二电阻一端连接，所述第二电阻另一端接地；所述检测线圈输入端接地；所述解调器输出端与所述功放输入端连接，所述功放输出端与所述补偿线圈输入端连接，所述补偿线圈输出端与所述被测线圈连接；所述第一磁通门检测单元中的所述解调器与所述开关单元连接。

上述实施例中所述激励线圈、所述激励磁芯、所述去耦线圈、所述去耦磁芯、所述检测线圈、所述检测磁芯、所述补偿线圈、所述解调器、所述功放、所述第一电阻、所述第二电阻仅为功能性命名，在所述第一磁通门检测单元和多个所述第二磁通门检测单元中，其大小、尺寸、规格均可不同。

在其中的一些实施例中，所述第一磁通门检测单元和所述第二磁通门检测单元还包括第三电阻和运算放大器；所述运算放大器输入端与所述补偿线圈输出端、所述第三电阻一端连接，所述第一磁通门检测单元中的所述第三电阻另一端与被测线圈输入端连接，所述第二磁通门检测单元中的所述第三电阻另一端接地。

所述第三电阻用于将第一补偿电流或第二补偿电流转换至电压，所述运算放大器用于将该电压调节至标准输出范围；所述第三电阻和所述运算放大器仅为功能性命名，在所述第一磁通门检测单元和多个所述第二磁通门检测单元中，其大小、尺寸均可不同。

在其中的一些实施例中，所述激励磁芯和所述去耦磁芯磁性能一致，所述激励线圈匝数与所述去耦线圈匝数相等。

在其中的一些实施例中，所述扩展模块还包括量程状态接口，所述量程状态接口输入端与所述开关单元输出端，所述量程状态接口用于供工作人员监测并控制所述扩展模块的使用；所述开关单元还包括监测接口，所述监测接口包括一个或一组LED灯。

在其中的一些实施例中，所述激励源单元包括振荡单元、频率分配单元、触发器单元、功率驱动单元和输出耦合单元；

所述振荡单元的输出端连接到频率分配单元的输入端，所述振荡单元作为频率分配单元时钟源，以提供传感器正常工作的基本时钟；

所述频率分配单元的输出端连接到所述触发器单元的输入端，所述频率分配单元根据预设配置提供磁芯的激励时钟与解调器的解调时钟；

所述触发器单元的输出端连接到所述功率驱动单元的输入端，所述触发器单元将激励时钟反转，以在不同端口输出两个极性相反的激励时钟信号；

所述功率驱动单元的输出端连接到所述输出耦合单元的输入端，所述功率驱动单元将两个极性相反的激励时钟信号的带载能力增强，以将磁芯激励至饱和；

所述输出耦合单元用于过滤振荡单元输出的直流信号。

在其中的一些实施例中，所述扩展模块的数量为N个，N个所述扩展模块依次级联；其中，第N级所述扩展模块的所述开关单元的输入端与第N-1级所述扩展模块的所述第二磁通门检测单元的电流输出端连接，其中，N为大于或者等于2的整数。

一种基于上述电流传感器的电路检测方法，包括：

基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定所述开关单元的导通状态；

在所述开关单元导通的情况下，基于所述第一补偿电流确定所述待测电流；

在所述开关单元断开的情况下，基于所述第二补偿电流确定所述待测电流。

一种基于上述电流传感器的电流检测方法，包括：

基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定各所述扩展模块的开关单元的导通状态；

在第一级扩展模块的开关单元导通的情况下，基于所述第一补偿电流确定所述待测电流；

在第N级所述扩展模块的所述开关单元导通且前N-1级所述扩展模块的所述开关单元均断开的情况下，基于第N-1级所述扩展模块输出的第二补偿电流确定所述待测电流；

在第1～N级所述扩展模块的所述开关单元均断开的情况下，基于第N级所述扩展模块输出的第二补偿电流确定待测电流。

本申请提供的一种一级扩展电流传感器，包括激励源单元、第一磁通门检测单元和扩展模块，所述扩展模块包括第二磁通门检测单元、开关单元和被测线圈；

所述激励源单元分别与所述第一磁通门检测单元和所述第二磁通门检测单元连接，所述激励源单元输出电流信号IE至第一磁通门检测单元和第二磁通门检测单元，所述第一磁通门检测单元和第二磁通门检测单元接收到电流信号IE并保持磁平衡；

所述第一磁通门检测单元用于检测待测电流，将待测电流IP按一定比例（WP/WS）生成第一补偿电流IS，并从所述第一磁通门检测单元的电流输出端输出所述第一补偿电流IS，多个所述扩展模块中的所述第二磁通门检测单元的电流变化比例（WP/WS）都不同；所述第一磁通门检测单元的电流输出端与所述开关单元的输入端连接，所述开关单元的输出端接地；

所述被测线圈的输入端与所述开关单元的输入端连接，所述被测线圈的输出端接地；

所述第二磁通门检测单元，用于检测所述被测线圈内的电流，并从所述第二磁通门检测单元的电流输出端输出第二补偿电流，其中，所述开关单元的导通状态基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定。

本申请提供的一种多级扩展电流传感器，基于上述的一级扩展电流传感器，其中，扩展模块的数量为N个，N个扩展模块依次级联；第N级所述扩展模块的所述开关单元的输入端与第N-1级所述扩展模块的所述第二磁通门检测单元的电流输出端连接，其中，N为大于或者等于2的整数。

本申请提供的一种基于一级扩展电流传感器的电流检测方法，包括：

基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定所述开关单元的导通状态；

在所述开关单元导通的情况下，基于所述第一补偿电流确定所述待测电流；

在所述开关单元断开的情况下，基于所述第二补偿电流确定所述待测电流。

本申请提供的一种基于多级扩展电流传感器的电流检测方法，包括：

基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定各所述扩展模块的开关单元的导通状态；

在第一级扩展模块的开关单元导通的情况下，基于所述第一补偿电流确定所述待测电流；

在第N级所述扩展模块的所述开关单元导通且前N-1级所述扩展模块的所述开关单元均断开的情况下，基于第N-1级所述扩展模块输出的第二补偿电流确定所述待测电流，其中，N为大于或等于2的整数；

在第1～N级所述扩展模块的所述开关单元均断开的情况下，基于第N级所述扩展模块输出的第二补偿电流确定待测电流。

因此，本发明具有如下的有益效果：

（1）扩展模块提供了更多同时存在的变换比例，使用更灵活，能够覆盖大动态范围下的电流变化，保证了在大动态范围下电流测量的高精度；

（2）通过运算放大器的使用，使得被测信号较小时有较大的信号输出，提高了系统信噪比、提升了系统准确度；

（3）与现有进行二次绕组匝数切换的电流传感器相比较，基本没有切换响应时间；现有技术方案切换间隙导致会导致输出短期无效，且存在使传感器磁芯饱和的风险，本发明是多个独立模块，不存在切换间的数据无效。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1是本发明提供的电流传感器的一级扩展结构框图；

图2是本发明提供的电流传感器的一级扩展电路拓扑图；

图3是本发明提供的电流传感器的激励源模块的结构框图；

图4是本发明提供的电流传感器的二级扩展结构框图；

图5是本发明提供的电流传感器的二级扩展电路拓扑图；

图6是本发明提供的基于一级扩展电流传感器的电流检测方法的流程示意图；

图7是本发明提供的基于多级扩展电流传感器的电流检测方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、激励源单元；11、振荡单元；12、频率分配单元；13、触发器单元、14、功率驱动单元；15、输出耦合单元；2、第一磁通门检测单元；3、扩展模块；31、第二磁通门检测单元；32、开关单元。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请专利申请说明书以及权利要求书中使用的“多个”是指两个或两个以上。“第一”、“第二”、“第三”仅为区别不同对象，无实际意义。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

实施例1：如图1所示，本实施例提供了一种电流传感器，该电流传感器包括激励源单元1、第一磁通门检测单元2和扩展模块3，扩展模块3包括第二磁通门检测单元31、开关单元32和被测线圈。激励源单元1输出端分别与第一磁通门检测单元2输入端和第二磁通门检测单元31输入端连接，第一磁通门检测单元2输出端分别与开关单元32输入端和被测线圈输入端连接，第一磁通门检测单元2用于检测待测电流，根据待测电流生成第一补偿电流并从第一磁通门检测单元2的电流输出端输出第一补偿电流；第二磁通门检测单元31用于检测被测线圈内的电流并从第二磁通门检测单元31的电流输出端输出第二补偿电流；开关单元32的导通状态基于电流传感器的目标精度和目标量程确定。

如图2所示，激励线圈包括激励线圈W3和激励线圈W3'，激励磁芯包括激励磁芯C3和激励磁芯C3'，去耦线圈包括去耦线圈W2和去耦线圈W2'，去耦磁芯包括去耦磁芯C2和去耦磁芯C2'，检测线圈包括检测线圈W1和检测线圈W1'，检测磁芯包括检测磁芯C1和检测磁芯C1'，补偿线圈包括补偿线圈WS和补偿线圈WS'，解调器包括第一解调器和第二解调器，功放包括第一功放和第二功放；第一电阻包括第一电阻R1和第一电阻R1'，第二电阻包括第二电阻R2和第二电阻R2'，第三电阻包括第三电阻RS和第三电阻RS'，运算放大器包括运算放大器AS和运算放大器AS'。

第一磁通门检测单元2包括激励线圈W3、激励磁芯C3、去耦线圈W2、去耦磁芯C2、检测线圈W1、检测磁芯C1、补偿线圈WS、第一解调器、第一功放、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻RS和运算放大器AS；其中，激励磁芯C3和去耦磁芯C2磁性能一致，激励线圈W3匝数与去耦线圈W2匝数相等；激励源单元1输出端分别与去耦线圈W2输入端、激励线圈W3输入端和第一解调器输入端连接，激励线圈W3输出端、去耦线圈W2输出端和检测线圈W1输出端均与第一解调器输入端连接，去耦线圈W2输出端与第一电阻R1一端连接，第一电阻R1另一端接地；激励线圈W3输出端与第二电阻R2一端连接，第二电阻R2另一端接地；检测线圈W1输入端接地；第一解调器输出端与第一功放输入端连接，第一功放输出端与补偿线圈WS输入端连接，补偿线圈WS输出端与运算放大器AS输入端和第三电阻RS一端连接，第三电阻RS另一端与被测线圈输入端连接，第一解调器与开关单元32连接；第三电阻RS用于将第一补偿电流转换至电压，运算放大器AS用于将该电压调节至标准输出范围。

激励源单元1输出电流IE以一定频率的周期信号通过激励线圈W3激励激励磁芯C3至饱和，第一解调器通过与激励线圈W3串联的第二电阻R2上的电压变化识别激励磁芯C3的磁通变化情况，若总磁通不为0时（即待测电流IP不为零，产生了磁势），通过控制第一功放输出电流IS到补偿线圈WS，产生与待测电流IP产生磁势大小相等方向相反的磁势，直到激励磁芯C3内总磁通为零，完成闭环控制。此时:

IP=WS/WP*IS。

第二磁通门检测单元31包括激励线圈W3'、激励磁芯C3'、去耦线圈W2'、去耦磁芯C2'、检测线圈W1'、检测磁芯C1'、补偿线圈WS'、第二解调器、第二功放、第一电阻R1'、第二电阻R2'、第三电阻RS'、运算放大器AS'；其中，激励磁芯C3'与去耦磁芯C2'磁性能一致，激励线圈W3'匝数与去耦线圈W2'匝数相等；激励源单元1输出端分别与去耦线圈W2'输入端、激励线圈W3'输入端和第二解调器输入端连接，激励线圈W3'输出端、去耦线圈W2'输出端和检测线圈W1'输出端均与第二解调器输入端连接，去耦线圈W2'输出端与第一电阻R1'一端连接，第一电阻R1'另一端接地；激励线圈W3'输出端与第二电阻R2'一端连接，第二电阻R2'另一端接地；检测线圈W1'输入端接地；第二解调器输出端与第二功放输入端连接，第二功放输出端与补偿线圈WS'输入端连接，补偿线圈WS'输出端与运算放大器AS'输入端和第三电阻RS'一端连接，第三电阻RS'另一端接地；第三电阻RS'用于将第二补偿电流转换至电压，运算放大器AS'用于将该电压调节至标准输出范围。

被测线圈WP'输入端分别与第三电阻RS输出端和开关单元32输出端连接，补偿线圈WS与被测线圈WP'串联，补偿线圈WS与被测线圈WP'中的电流一致，被测线圈WP'输出端与开关单元32输出端连接并接地，扩展模块3设置有量程状态接口SE1，量程状态接口SE1与开关单元32输出端连接；开关单元32设置有监测接口，该监测接口设置有一组LED灯，量程状态接口SE1用于监测并控制扩展模块3的使用，配合监测接口，使用者可以在基本量程和扩展量程间自由切换；开关单元32输入端与第一解调器输出端连接，开关单元32输出端分别与补偿线圈WS输出端和被测线圈WP'输入端连接，第一解调器输出信号到开关单元32，开关单元32根据第一解调器输出信号大小，控制扩展模块3的被测线圈WP'是否短路。

激励源单元1输出电流IE'以一定频率的周期信号通过激励线圈W3'激励激励磁芯C3'至饱和，第二解调器通过与激励线圈W3'串联的电阻R2'上的电压变化识别第二激励磁芯C3'的磁通变化情况，若总磁通不为0时（即被测电流IS不为零，产生了磁势），通过控制第二功放输出电流IS'到补偿线圈WS'，产生与被测电流IS产生磁势大小相等方向相反的磁势，直到激励磁芯C3'内总磁通为零，完成闭环控制。此时：

IS =WS'/WP'*IS'；

IP=WS/WP*IS=WS/WP*WS'/WP'*IS'。

如图3所示，激励源单元1包括振荡单元11、频率分配单元12、触发器单元13、功率驱动单元14和输出耦合单元15，振荡单元11的输出端连接到频率分配单元12的输入端，振荡单元11作为频率分配单元12时钟源，以提供传感器正常工作的基本时钟；频率分配单元12的输出端连接到触发器单元13的输入端，频率分配单元12根据预设配置提供磁芯的激励时钟与解调器的解调时钟；触发器单元13的输出端连接到功率驱动单元14的输入端，触发器单元13将激励时钟反转，以在不同端口输出两个极性相反的激励时钟信号；功率驱动单元14的输出端连接到输出耦合单元15的输入端，功率驱动单元14将两个极性相反的激励时钟信号的带载能力增强，以将磁芯激励至饱和，输出耦合单元15用于过滤振荡单元11输出的直流信号。

本实施例的电流传感器测量电流时，

（a）若IP=400A～4000A，扩展模块3禁用：WS=4000，WP=1，WS'=100， WP'=0，则IS=0.1A～1A，IS'=0A；RS=0.5R，AS增益为20，则

VS=1V～10V；

此时系统比例为4000A/10V。设系统噪声为10uV，则该量程信噪比为100dB～120dB。

（b）若IP=40A～400A，扩展模块3禁用：WS=4000，WP=1，则IS=0.01A～0.1A，IS'=0A；RS=0.5R，AS增益为20，则

VS=0.1V～1V；

此时系统比例为400A/1V。设系统噪声为10uV，则该量程信噪比为80dB～100dB。

扩展模块3启用：WS=4000，WP=1，WS'=100，WP'=1000，则IS=0.01A～0.1A，IS'=0.1A～1A；RS'=0.5R，AS'增益为20，则从VS'输出

VS'=1V～10V；

此时系统比例为400A/10V。设系统噪声为10uV，则该量程信噪比为100dB～120dB。

本实施例基本量程1/4000始终有效，在扩展模块3根据第一解调器输出信号控制开关单元32使能被测线圈WP'，使能点约在IP= 440A左右。当IP从扩展量程的40A（VS'：1V，VS：0.1V）至440A时（VS'：11V，VS：1.1V），量程状态接口SE1从低电平转为高电平，电流传感器通过VS'输出，开关单元32控制被测线圈WP'短路，则IP'=IS，不存在过载；当IP从4000A（VS'：0V，VS：10V）降到440A（VS'：11V，VS：1.1V）时，量程状态接口SE1从高电平转为低电平，电流传感器通过VS'输出，开关单元32释放被测线圈WP'短路开关。

通过量程状态接口SE1与VS'、VS的灵活配置，可以实现不丢失数据的灵活切换，且保证待测电流IP在40A～4000A范围下的信噪比均大于100dB。

由此可见，扩展模块3的使用提高了系统信噪比，提高了传感器低量程精度。

实施例2：如图4所示，本实施例提供了一种电流传感器，该电流传感器包括激励源单元1、第一磁通门检测单元2和扩展模块3，扩展模块3包括第一扩展模块3和第二扩展模块3，第一扩展模块3和第二扩展模块3结构及连接关系相通，但其中各元件大小、尺寸、规格不同；激励源单元1输出端分别与第一磁通门检测单元2输入端、第一扩展模块3输入端和第二扩展模块3输入端连接，第一磁通门检测单元2输出端分别与第一扩展模块3中的开关单元32输入端和第一扩展模块3中的被测线圈输入端连接，第一扩展模块3中的第二磁通门检测单元31输出端分别与第二扩展模块3中的开关单元32输入端和第二扩展模块3中的被测线圈输入端连接。

如图5所示，激励线圈包括激励线圈W3、激励线圈W3'和激励线圈W3''，激励磁芯包括激励磁芯C3、激励磁芯C3'和激励磁芯C3''，去耦线圈包括去耦线圈W2、去耦线圈W2'和去耦线圈W2''，去耦磁芯包括去耦磁芯C2、去耦磁芯C2'和去耦磁芯C2''，检测线圈包括检测线圈W1、检测线圈W1'和检测线圈W1''，检测磁芯包括检测磁芯C1、检测磁芯C1'和检测磁芯C1''，补偿线圈包括补偿线圈WS、补偿线圈WS'和补偿线圈WS''，解调器包括第一解调器、第二解调器和第二解调器，功放包括第一功放、第二功放和第二功放；第一电阻包括第一电阻R1、第一电阻R1'和第一电阻R1''，第二电阻包括第二电阻R2、第二电阻R2'和第二电阻R2''，第三电阻包括第三电阻RS、第三电阻RS'和第三电阻RS''，运算放大器包括运算放大器AS、运算放大器AS'和运算放大器AS''，量程状态接口包括量程状态接口SE1和量程状态接口SE2。

第一磁通门检测单元2、第一扩展模块3和第二扩展模块3的结构均与实施例1相同，第一磁通门检测单元2和第一扩展模块3的连接关系与实施例1相同，第二扩展模块3中的被测线圈WP''输入端分别与第一扩展模块3中的第三电阻RS'输出端和第二扩展模块3中的开关单元32输出端连接，第一扩展模块3中的补偿线圈WS'与第二扩展模块3中的被测线圈WP''串联，第一扩展模块3中的补偿线圈WS'与第二扩展模块3中的被测线圈WP''中的电流一致，第二扩展模块3中的被测线圈WP''输出端与第二扩展模块3中的开关单元32输出端连接并接地，第二扩展模块3设置有量程状态接口SE2，量程状态接口SE2与第二扩展模块3中的开关单元32输出端连接；开关单元32设置有监测接口，该监测接口设置有一组LED灯，量程状态接口SE2用于监测并控制第二扩展模块3的使用，配合监测接口，使用者可以在一级扩展量程和二级扩展量程间自由切换；第二扩展模块3中的开关单元32输入端与第一扩展模块3中的第二解调器输出端连接，第二扩展模块3中的开关单元32输出端分别与第一扩展模块3中的补偿线圈WS'输出端和第二扩展模块3中的被测线圈WP''输入端连接，第一扩展模块3中的第二解调器输出信号到第二扩展模块3中的开关单元32，第二扩展模块3中的开关单元32根据第一扩展模块3中的第二解调器输出信号大小，控制第二扩展模块3的被测线圈WP''是否短路。

在本实施例中，WP*IP=WS*IS,

WP'*IS=WS'*IS'，

WP''*IS'=WS''*IS''，因此，待测电流

IP=WS/WP*IS

=WS/WP*WS'/WP'*IS'

=WS/WP*WS'/WP'*WS''/WP''*IS''。

基于此，本发明可以继续级联产生更多实施例，使得能够覆盖大动态范围下的电流变化，保证了在大动态范围下电流测量的高精度。

本发明提供的一种基于一级扩展电流传感器的电流检测方法，如图6所示，其步骤包括：

基于电流传感器的目标精度和目标量程确定开关单元32的导通状态；

在开关单元32导通的情况下，基于第一补偿电流确定待测电流；

在开关单元32断开的情况下，基于第二补偿电流确定待测电流。

参照实施例1，在开关单元32导通的情况下，被测线圈WP'短路，此时，扩展模块3处于非工作状态，通过第一补偿电流即可确定待测电流，即：

IP=WS/WP*IS。

在开关单元32断开的情况下，被测线圈WP'正常工作，扩展模块3处于工作状态，此时，第一补偿电流为：IS =WS'/WP'*IS'；

通过第二补偿电流即可确定待测电流，即：

IP=WS/WP*IS=WS/WP*WS'/WP'*IS'。

本发明提供的一种基于多级扩展电流传感器的电流检测方法，如图7所示，其步骤包括：

基于电流传感器的目标精度和目标量程确定各扩展模块3的开关单元32的导通状态；

在第一级扩展模块3的开关单元32导通的情况下，基于第一补偿电流确定待测电流；

在第N级扩展模块3的开关单元32导通且前N-1级扩展模块3的开关单元32均断开的情况下，基于第N-1级扩展模块3输出的第二补偿电流确定待测电流；

在第1～N级扩展模块3的开关单元32均断开的情况下，基于第N级扩展模块3输出的第二补偿电流确定待测电流。

参照实施例2，在第一扩展模块3中的开关单元32导通的情况下，第一扩展模块3中的被测线圈WP'短路，此时，第一扩展模块3和第二扩展模块3均处于非工作状态，通过第一补偿电流即可确定待测电流，即：

IP=WS/WP*IS。

在第二扩展模块3中的开关单元32导通且第一扩展模块3中的开关单元32断开的情况下，第一扩展模块3中的被测线圈WP'正常工作，第二扩展模块3中的被测线圈WP''短路，此时第一扩展模块3处于工作状态，第二扩展模块3处于非工作状态，此时，第一补偿电流为：IS =WS'/WP'*IS'；通过第一扩展模块3输出的第二补偿电流即可确定待测电流，即：

IP=WS/WP*IS=WS/WP*WS'/WP'*IS'。

在第一扩展模块3中的开关单元32和第二扩展模块3中的开关单元32均断开的情况下，第一扩展模块3中的被测线圈WP'和第二扩展模块3中的被测线圈WP''均正常工作，此时，第一扩展模块3和第二扩展模块3均处于工作状态，此时，第一补偿电流为：IS =WS'/WP'*IS'；第一扩展模块3输出的第二补偿电流为：IS'=WS''/WP''*IS''；通过第二扩展模块3输出的第二补偿电流即可确定待测电流，即：

IP=WS/WP*WS'/WP'*WS''/WP''*IS''。

实施例2仅作为多级扩展电流传感器的示例而非限定，本发明提供的多级扩展电流传感器根据实际应用环境进行扩展，其扩展级数不做限定，本发明提供的基于多级扩展电流传感器的电流检测方法，参照实施例2中的电流传感器进行的说明，仅作为示例而非限定，本发明提供的基于多级扩展电流传感器的电流检测方法适用于实际应用中的任何本发明提供的多级扩展电流传感器。

本发明显然不限于上述实施例的细节,在包括本发明的基本特征的情况下,有多种具体实施例可以实现本发明。因此,本实施例是具有示范性的,而非限制性的。任何本领域的技术人员在本发明的技术方案上所做的变化或修饰,未脱离本发明的权利要求书范围的,皆涵盖在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括激励源单元（1）、第一磁通门检测单元（2）和扩展模块（3），其中，所述扩展模块（3）包括第二磁通门检测单元（31）、开关单元（32）和被测线圈；

所述激励源单元（1）分别与所述第一磁通门检测单元（2）和所述第二磁通门检测单元（31）连接；

所述第一磁通门检测单元（2）用于检测待测电流，根据所述待测电流生成第一补偿电流，并从所述第一磁通门检测单元（2）的电流输出端输出所述第一补偿电流；所述第一磁通门检测单元（2）的电流输出端与所述开关单元（32）的输入端连接，所述开关单元（32）的输出端接地；

所述被测线圈的输入端与所述开关单元（32）的输入端连接，所述被测线圈的输出端接地；

所述第二磁通门检测单元（31），用于检测所述被测线圈内的电流，并从所述第二磁通门检测单元（31）的电流输出端输出第二补偿电流，其中，所述开关单元（32）的导通状态基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述第一磁通门检测单元（2）和所述第二磁通门检测单元（31）均包括：激励线圈、激励磁芯、去耦线圈、去耦磁芯、检测线圈、检测磁芯、补偿线圈、解调器、功放、第一电阻、第二电阻；所述激励源单元（1）输出端分别与所述去耦线圈输入端、所述激励线圈输入端和所述解调器输入端连接，所述激励线圈输出端、所述去耦线圈输出端和所述检测线圈输出端均与所述解调器输入端连接，所述去耦线圈输出端与所述第一电阻一端连接，所述第一电阻另一端接地；所述激励线圈输出端与所述第二电阻一端连接，所述第二电阻另一端接地；所述检测线圈输入端接地；所述解调器输出端与所述功放输入端连接，所述功放输出端与所述补偿线圈输入端连接，所述补偿线圈输出端与所述被测线圈连接；所述第一磁通门检测单元（2）中的所述解调器与所述开关单元（32）连接。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述第一磁通门检测单元（2）和所述第二磁通门检测单元（31）还包括第三电阻和运算放大器；所述运算放大器输入端与所述补偿线圈输出端、所述第三电阻一端连接，所述第一磁通门检测单元（2）中的所述第三电阻另一端与被测线圈输入端连接，所述第二磁通门检测单元（31）中的所述第三电阻另一端接地。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述激励磁芯和所述去耦磁芯磁性能一致，所述激励线圈匝数与所述去耦线圈匝数相等。

5.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述扩展模块（3）还包括量程状态接口，所述量程状态接口输入端与所述开关单元（32）输出端连接，所述量程状态接口用于供工作人员监测并控制所述扩展模块（3）的使用；所述开关单元（32）还包括监测接口，所述监测接口包括一个或一组LED灯。

6.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述激励源单元（1）包括振荡单元（11）、频率分配单元（12）、触发器单元（13）、功率驱动单元（14）和输出耦合单元（15）；

所述振荡单元（11）的输出端连接到频率分配单元（12）的输入端，所述振荡单元（11）作为频率分配单元时钟源，以提供传感器正常工作的时钟；

所述频率分配单元（12）的输出端连接到所述触发器单元（13）的输入端，所述频率分配单元（12）根据预设配置提供磁芯的激励时钟与解调器的解调时钟；

所述触发器单元（13）的输出端连接到所述功率驱动单元（14）的输入端，所述触发器单元（13）将激励时钟反转，以在不同端口输出两个极性相反的激励时钟信号；

所述功率驱动单元（14）的输出端连接到所述输出耦合单元（15）的输入端，所述功率驱动单元（14）将两个极性相反的激励时钟信号的带载能力增强，以将磁芯激励至饱和；

所述输出耦合单元（15）用于过滤振荡单元输出的直流信号。

7.根据权利要求1至6任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述扩展模块（3）的数量为N个，N个所述扩展模块（3）依次级联；其中，第N级所述扩展模块（3）的所述开关单元（32）的输入端与第N-1级所述扩展模块（3）的所述第二磁通门检测单元（31）的电流输出端连接，其中，N为大于或者等于2的整数。

8.一种基于权利要求1所述的电流传感器的电路检测方法，其特征在于，包括：

基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定所述开关单元（32）的导通状态；

在所述开关单元（32）导通的情况下，基于所述第一补偿电流确定所述待测电流；以及

在所述开关单元（32）断开的情况下，基于所述第二补偿电流确定所述待测电流。

9.一种基于权利要求7所述的电流传感器的电流检测方法，其特征在于，包括：

基于所述电流传感器的目标精度和目标量程确定各所述扩展模块（3）的开关单元（32）的导通状态；

在第一级扩展模块（3）的开关单元（32）导通的情况下，基于所述第一补偿电流确定所述待测电流；

在第N级所述扩展模块（3）的所述开关单元（32）导通且前N-1级所述扩展模块（3）的所述开关单元（32）均断开的情况下，基于第N-1级所述扩展模块（3）输出的第二补偿电流确定所述待测电流；

在第1～N级所述扩展模块（3）的所述开关单元（32）均断开的情况下，基于第N级所述扩展模块（3）输出的第二补偿电流确定待测电流。

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