多通道電流傳感器自動測試系統(tǒng)

作者簡介：李斌(1991—)，男，主要研究方向：精密測量、儀器儀表。E-mail：libin@primsci.com。

孫向平(1984—)，男，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向：計量測試、儀器儀表。E-mail：libin@primsci.com。

高金偉(1987—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：計量測試、儀器儀表。E-mail：gaojinwei@primsci.com。

0   引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電流測量需求促使著電流傳感器行業(yè)日新月異，各種規(guī)格、類型的電流傳感器層出不窮，對測試設(shè)備的需求也越來越高^[1]。在以往的電流傳感器生產(chǎn)/ 校準(zhǔn)過程中，每一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都需要一套專用測試系統(tǒng)，復(fù)雜且效率低下，覆蓋能力較差^[2-3]。針對上述問題，本文提出一種多通道電流傳感器自動測試系統(tǒng)，能夠自動測試傳感器的各項(xiàng)基本參數(shù)，保存數(shù)據(jù)，生成圖表。提高生產(chǎn)效率的同時能夠保證所有傳感器都經(jīng)過測試篩選，大大提升了生產(chǎn)的可靠性。

本測試系統(tǒng)主要測試項(xiàng)目有直流比例誤差、上升時間、電流響應(yīng)速度、零點(diǎn)偏置、零點(diǎn)漂移、線性度等。

1   測試系統(tǒng)組成

多通道電流傳感器自動測試系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示，包括精密恒流源、橋式換向模塊及邏輯控制單元、標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器、傳感器供電及可編程負(fù)載陣列、多路復(fù)用器（MUX）、信號調(diào)理電路、高精度ADC、主控制器、數(shù)據(jù)處理及儲存模塊、通信模塊及人機(jī)交互模塊。

精密恒流源為數(shù)字/ 模擬雙閉環(huán)的程控電流源，為被測傳感器提供測試電流，同時可以并機(jī)或等安匝法以提高等效電流范圍^[4]。橋式換向及邏輯控制模塊可以根據(jù)人機(jī)交互輸入信息改變被測電流傳感器的輸入電流方向。標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器為與被測電流傳感器比例一致、精度更高且有上級校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器，在精密恒流源準(zhǔn)確度與被測傳感器準(zhǔn)確度不滿足1/3 關(guān)系時使用，作為比較測試法的主要標(biāo)準(zhǔn)。

測試系統(tǒng)具體技術(shù)指標(biāo)如表1 所示，直接測試法與比較測試法可以將比例誤差的測試范圍擴(kuò)展到10-5^[5-6]，覆蓋市面上絕大多數(shù)電流傳感器。

2   測試系統(tǒng)原理及測試方法

2.1 精密恒流源

精密恒流源模塊^[7-11]采用磁通門電流傳感器作為輸出電流反饋，其原理框圖如圖2 所示。市電經(jīng)過保險絲、共模濾波器等轉(zhuǎn)換為交流低壓，經(jīng)過整流濾波模塊成直流低壓給MOSFET 供電，作為主功率輸出級。基準(zhǔn)電壓源為ADC、DAC 提供穩(wěn)定的電壓參考信號；用戶界面的設(shè)定的電流值經(jīng)過微控制器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)值發(fā)送給DAC，DAC 將該數(shù)值通過R2R 結(jié)構(gòu)將基準(zhǔn)電壓源的電壓值分出具體電壓信號作為誤差比較模塊的參考信號，輸出大電流經(jīng)過傳感器等比例變換為小電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號經(jīng)過低通濾波及增益變換后進(jìn)入誤差比較模塊與參考信號進(jìn)行比較，誤差比較模塊輸出為一定增益的反極性的差模信號，該差模信號經(jīng)過濾波后作為功率MOSFET的柵極驅(qū)動信號，控制MOSFET 的導(dǎo)通程度從而控制輸出電流大小。同時增益模塊的輸出信號進(jìn)入ADC 模塊，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微控制器，實(shí)時監(jiān)測恒流源輸出電流大小。

2.2 多通道采集模塊

多通道數(shù)據(jù)采集模塊如圖3 所示，包括負(fù)載電路陣列、MUX、全差分運(yùn)算放大器、程控濾波器、8 通道精密ADC、1 通道高速ADC、SoC 控制器、Webserver 等?？删幊特?fù)載陣列經(jīng)過MUX 切換到不同信號調(diào)理通道。輸入信號經(jīng)過增益可控的差分運(yùn)放調(diào)節(jié)適合增益后進(jìn)入程控源濾波部分選擇凌特公司的LTC1594 作為抗混疊濾波器件，濾波器帶寬小于fs/2 采樣率，能有效抑制雜散的無用頻率信號，同時，由于有源濾波器擁有較高的輸入阻抗及較低的輸出阻抗，使得信號調(diào)理部分能更容易地驅(qū)動精密ADC。精密ADC 選用ADI 公司的LTC2380 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該ADC 在30.5 sps 時具有145 dB 的動態(tài)范圍，滿足高精度的使用需求，同時內(nèi)部具有SINC1 濾波器，在高速采集模式下可以抑制50/60 Hz 供電干擾，進(jìn)一步保證轉(zhuǎn)換后信號的可靠性。ADC 數(shù)據(jù)端與FPGA 采用ADum2602 作為隔離期間，該隔離保證可以將數(shù)字部分對地的影響降到很低，同時能保證SoC 控制器的安全。

FPGA 經(jīng)過ADC Driver 邏輯控制ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時將數(shù)據(jù)經(jīng)過加窗進(jìn)行FFT 轉(zhuǎn)換，F(xiàn)FT 轉(zhuǎn)換后的頻域數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步分析傳感器的噪聲頻譜。大量的數(shù)據(jù)經(jīng)過RAM 緩存后通過AXI-4 等高速總線傳輸?shù)絻?nèi)部的輕量級Linux 系統(tǒng)中，當(dāng)客戶端鏈接時，內(nèi)建的Webserver 能將這些數(shù)據(jù)顯示到客戶端界面上。根據(jù)交互界面的輸入可完成數(shù)據(jù)保存、圖表生成等功能。同時外擴(kuò)高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)（PCIe）接口、網(wǎng)口（Ethernet）等高速數(shù)據(jù)導(dǎo)入/ 到處接口及調(diào)試用的串口（RS232）。

2.3 直流比例誤差測試

2.3.1 直接測試法

對于0.05 級及以下采用直接測試法，具體原理如圖3 所示，恒流源輸出電流經(jīng)過換向模塊穿過電流傳感器回到恒流源，被測電流傳感器輸出經(jīng)過可編程負(fù)載陣列轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)整到ADC 滿量程輸入范圍，微控制器控制ADC 將該電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值，經(jīng)過式（1）換算可以直接得到傳感器的直流比例誤差。

式中， ΔNDC 為被測磁通門電流傳感器直流測量比例誤差，無量綱； NDC 為被測磁通門電流傳感器標(biāo)稱比例，無量綱； I_sDC 為標(biāo)準(zhǔn)直流電流源電流值， A； U_xDC 為ADC 測得的負(fù)載電阻上的電壓經(jīng)過修正后的電壓值，V； Rx 為負(fù)載電阻阻值， Ω 。

2.3.2 比較測試法

對于0.05 級及以上的電流傳感器，由于恒流源準(zhǔn)確度只有0.01%，直接測試法已不再適用，選擇與標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器做比較可以忽略電流源的影響，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3 所示。標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器與被測電流傳感器接入同一個一次電流中，二次電流相反方向的接入同一負(fù)載電阻，二次電流的差值經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)過信號調(diào)理電路、ADC 轉(zhuǎn)換為具體數(shù)值。

其中，誤差電流

比例誤差

合并式（2）與式（3），可得

由于Is 位于分母，且恒流源得穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-5/30 min，其誤差影響可以忽略，Is 可以用其標(biāo)稱值I 代替。

式中： NS 為標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)后得比例值，無量綱； Is 為精密恒流源輸出電流值，在此可以用標(biāo)稱值I 代替， A； UR 為ADC 測得的負(fù)載電阻上的電壓經(jīng)過修正后的電壓值，V； R 為負(fù)載電阻電阻值， Ω 。

2.4 上升時間及電流響應(yīng)速度

電流傳感器的上升時間及電流響應(yīng)速度采用脈沖恒流源法測試。脈沖恒流源^[12-13]原理框圖如圖5 所示，脈沖信號選用微控制器產(chǎn)生單脈沖，單脈沖進(jìn)入射頻MOSFET 驅(qū)動器U1 ～ Un，型號為DEIC420，DEIC420為高速CMOS 驅(qū)動器，能為功率MOSFET 提供峰值電流輸20 APeak 的最大驅(qū)動能力。同時由米勒效應(yīng)與楞次定律可知，減小柵極驅(qū)動電阻、雜散電容能減小柵極信號的上升時間，因此Rg 選用多只電阻并聯(lián)，旁路電容選用ESL 小的鉭電容。為保證可靠穩(wěn)定，傳輸線選用同軸線，連接器選用N 形連接器，測試夾具為定制的工裝。負(fù)載電阻RL 為短路線，標(biāo)準(zhǔn)脈沖傳感器選用為PEARSON 4100 高頻電流傳感器^[14]，其峰值電流500 A，上升沿10 ns，可以作為脈沖電流源的標(biāo)準(zhǔn)器具在此使用。

2.5 零點(diǎn)偏置

零點(diǎn)偏置為傳感器一次測輸入為零時，二次側(cè)的輸出電流值，電流傳感器零點(diǎn)包括電零點(diǎn)、自發(fā)磁化及地磁變化等。具體測試框圖如圖6 所示，傳感器供電電源為傳感器提供正常工作需要的電能，電流輸出型電流傳感器再選配合適的負(fù)載電阻，精密恒流源輸出設(shè)置為零，邏輯控制模塊控制橋式換向模塊中的4 個功率MOSFET開路，此時電流母線內(nèi)的漏電流為納安級別，可忽略不計。負(fù)載電阻上測得的電壓值既是傳感器綜合零點(diǎn)偏置。

2.6 零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移為電流傳感器輸入為零時輸出信號每隔一段時間二次側(cè)輸出值偏離原指示值的最大偏差值與滿量程的百分比。在保證溫濕度幾乎不變的前提下，通過長時間記錄零點(diǎn)偏置的大小，取這段時間的最大值與最小值的差與時間的比值記為傳感器零點(diǎn)漂移。

2.7 線性度

線性度誤差為同一校準(zhǔn)點(diǎn)上正反行程多次測量的輸出信號值的算術(shù)平均值與參比直線上相應(yīng)點(diǎn)的最大值的絕對誤差值相對于滿量程的百分比值。具體計算公式如下：

式中： δ L 為傳感器的線性誤差，無量綱； ΔL_max 為傳感器多次測量校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差； YFS 為滿量程輸出值。

3   上位機(jī)軟件設(shè)計

直接測試法的控制流程如圖8 所示，導(dǎo)入測試模板后，測試系統(tǒng)根據(jù)模板設(shè)定測試項(xiàng)目、測試點(diǎn)、負(fù)載值及誤差限。給傳感器供電并加上負(fù)載，檢測到傳感器工作正常后進(jìn)入測試序列。

如果后續(xù)還有測試點(diǎn)，改變電源輸出值，讀取的傳感器輸出值與誤差限做比較，如果超差則彈出警告、停止恒流源輸出并讓客戶接入是否終止測系序列，如果選擇繼續(xù)測試，則將超差數(shù)據(jù)標(biāo)記并進(jìn)入下一步測試。如果測試過程中無超差，則根據(jù)測試序列循環(huán)調(diào)節(jié)電流源輸出值并記錄數(shù)據(jù)，完成后復(fù)位測試系統(tǒng)并保存測試報告，用戶可以根據(jù)測試條目從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)取數(shù)據(jù)行程各類圖表。

4   測試數(shù)據(jù)

4.1 精密恒流源校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

精密恒流源校準(zhǔn)證書數(shù)據(jù)如圖9 所示，200 A 量程內(nèi)設(shè)定值為100 A 時，標(biāo)準(zhǔn)器正向測得實(shí)際值為100.000 6，反向測得實(shí)際值為100.002 6，最大相對誤差為0.003%，校準(zhǔn)不確定度為0.002%；200 A 輸出時候標(biāo)準(zhǔn)器正向測得實(shí)際值為200.001 0，反向測得實(shí)際值為200.004 5，最大相對誤差為0.002%，校準(zhǔn)不確定度為0.001%，滿足10-5 以內(nèi)電流傳感器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)源的技術(shù)需求。

圖9 精密恒流源校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4.2 標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如下圖所示，測量范圍為400 A，10% ～ 100% 量程范圍內(nèi)，線性度、比例誤差均小于10-6，滿足10-5 以內(nèi)電流傳感器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器的技術(shù)需求。

圖10 400 A標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4.3 HAH系列霍爾電流傳感器線性度誤差

圖10 為HAH 系列電壓輸出型霍爾電流傳感器線性度測試數(shù)據(jù)，橫軸為精密恒流源一次電流5 匝穿入傳感器，傳感器輸出電壓經(jīng)過接入1 MΩ 負(fù)載后多次重復(fù)測得的數(shù)據(jù)，線性度最差為0.2%。

圖11 線性度測試數(shù)據(jù)

5   結(jié)束語

本測試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及功能上滿足了電流傳感器的自動測試需求，同時極大地提高了電流傳感器生產(chǎn)效率，同時測試數(shù)據(jù)整理保存后可以后續(xù)核查，保證所有傳感器出廠都合格且有測試數(shù)據(jù)，極大提高了傳感器的可靠性。后續(xù)可以配合溫濕度控制箱還可以增加傳感器溫度系數(shù)、傳感器增益誤差隨溫度變化及零點(diǎn)偏置隨溫度變化等項(xiàng)目，使得電流傳感器自動測試系統(tǒng)功能更完善。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）