非接触式高精度AC电流检测系统及其实验和误差分析

　　本文针对现有非接触式AC电流检测系统存在的精度不高、工艺复杂、传感器位置存在限制等不足，将系统级比例测量法与锁相放大技术相结合，设计了非接触式高精度AC电流检测系统。通过实验证明，设计的系统克服了以上不足，系统分辨力达0.02mA，空间分辨力达1mm，可在以传感器为中心、半径为3cm的范围内对mA级的电流进行有效检测。设计的系统减少了对高性能传感器的依赖性，着眼于测量电路本身进行研究和改良，从而提高了检测精度。设计的系统除了满足非接触式高精度电流检测场合的要求，更为电流密度成像系统的硬件实现提供了设计方案和实验基础。

　　引言

　　近年来，随着科学技术的发展，工业生产的各种测量、控制等实际应用场合不仅提高了对微弱电流检测的精度要求，也对检测方式提出了新的要求[1]，因此非接触式电流检测系统以其不对被测电路造成影响的特点被应用到更广泛的领域中。

　　现有非接触式微弱电流检测系统通常存在以下不足：检测精度不够高，现有非接触式电流检测系统通常只适用于大电流的检测，只有基于电流互感器的特殊磁芯电流传感器(如FeCuNbSiB单纳米晶磁芯[2])可实现mA级电流的检测;工艺复杂，通常使用特殊材料制成的传感器[3];传感器位置存在限制，通常要求待测导体穿过传感器的中心，因此具有一定的使用局限性[4]。本文设计的非接触式高精度AC电流检测系统[5]，克服了以上不足，系统分辨力达0.02mA，空间分辨力达1mm，可在以传感器为中心、半径为3cm的范围内对mA级的电流进行有效检测。

　　本设计减少了对高性能传感器的依赖性，着眼于测量电路本身进行研究和改良，从而提高检测精度。采用了锁相放大技术，在特定频率参考信号的辅助下，可将待测微弱电流信号从大量噪声中提取出来;采用了比例测量方法，从而减小参考信号幅值波动及ADC基准电压波动引入的测量误差;采用了自制空心线圈作为传感器，避免了铁芯的饱和及磁滞现象，也不需采用特殊磁芯材料，同时待测导体不需穿过检测线圈，放宽了检测位置的限制。本文阐述了设计的高精度AC电流检测系统的工作原理，采用该系统进行了实验，得到了较好的测量结果，最后分析了造成测量误差的主要原因。

　　非接触式高精度AC电流检测系统的设计

　　系统工作原理

　　设计的非接触式交流微弱电流检测系统原理框图如图1所示。系统工作时，感应线圈将待检测的微弱电流信号转换为微弱感应电动势，该微弱电压信号在前置信号处理电路中被放大和滤波后输入模拟乘法器。参考信号单元生成与待测电流频率相同的参考信号，分为两路：一路输入模拟乘法器，一路经精密整流电路变换为直流信号为ADC提供参考电压。经过乘法器和ADC，待测信号与参考信号相乘，交流信号被滤除，直流信号被采样并转化为数字信号在控制单元控制下进行输出、保存和显示。实际测量示意图如图2所示。