大電流測量系統的設計范文

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《計測技術雜志》2015年第二期

1盤式分流器的設計

1.1盤式分流器的原理設定電阻材料的導磁率為μ，電阻率為ρ。電流從圓盤的中心到達分流器時開始穿過電阻膜，對稱地由中心向四周流動，電流密度均勻。這一過程與電磁波沿傳輸線傳播類似。電感分析圖見圖1。

1.2盤式分流器的結構設計盤式分流器一般為薄膜金屬圓盤(環狀圓盤)，內外邊緣可作為電流的輸入端(例如，內外邊緣分別連接同軸電纜末端的內外導體)，同時也作為測量端。電流在薄的電阻盤中徑向均勻流動，測量信號受雜散電感影響很小，適用于測量快速變化的電流。盤式分流器也可由大量小阻值電阻并聯組成，電阻的一端在圓心相連，另一端連接成圓盤的外環。本文采用全金屬材料、并聯寬頻大功率小電阻設計了一種盤式分流器。盤式分流器主要包括依次連接的上面板、紫銅圓盤、電阻和下面板。上面板輸入端的丁頭正端與紫銅圓盤中心孔通過電路焊接連接;紫銅圓盤邊緣與12個電阻電路焊接連接，電阻另一端焊接到下面板邊緣;紫銅圓盤中心孔與下面板的輸出端N型頭的正端電路焊接連接。盤式分流器結構效果圖如圖2所示。上面板結構如圖3所示。上面板由兩部分組成，兩部分之間為機械螺絲連接，方便組裝。上面板整體為長方體，中心凹進為圓柱體。上面板正面連接同軸丁頭，丁頭的負端與上面板整體導通。上面板圓柱體邊緣留有等分的12個凹進去的長方體，為電阻焊接留下足夠的空間。紫銅圓盤結構如圖4所示。紫銅圓盤的中心孔與上面板丁頭的正端、下面板N型頭的正端通過銅線電路焊接在一起。紫銅圓盤的邊緣有等分的12個圓孔用來固定和電路焊接的12個電阻。紫銅圓盤上還有2個固定通孔，用絕緣螺絲固定在下面板上。電阻的組裝方式如圖4所示。先在紫銅圓盤和下面板的12個圓孔上螺絲固定紫銅片，再將電阻一邊焊接在紫銅圓盤的固定紫銅片上，另一邊焊接在下面板的固定紫銅片上。下面板結構如圖5所示。下面板正面連接同軸N型頭，N型頭的負端與下面板整體導通，N型頭正端與紫銅圓盤中心孔相連。盤式分流器實物圖見圖6。其中大電流由前面板的丁頭輸入，經過丁頭正端流到紫銅圓盤，經過12路電阻到下面板，下面板與上面板是相通的，電流回到上面板，即丁頭負端，形成回路。下面板的N型頭正端從紫銅圓盤電阻端、負端從下面板采取電壓信號。此盤式分流器即可實現將大電流轉化為電壓進行測量。

1.3盤式分流器特點電阻為VISHAY公司的CSM系列電阻，阻值為0.12Ω，可通過最大電流為10A或者功率為20W。此盤式分流器具有以下優點:1)電阻排列及接口設計均用同軸結構，對稱性好，外部采用金屬圓桶，能減少分布參數影響，屏蔽雜散磁場，趨膚效應好。信號經同軸接口輸出，失真度小;2)各部件由紫銅制成，表面鍍銀，導電性好，整體結構都為金屬材料，散熱性好，能長時間測量而不影響測量精度;3)采用大功率、頻帶寬的穩定電阻，長時間通過電流不會因過度發熱而導致電阻值發生改變并影響測量數據。

1.4數據采集卡測試系統中的電壓頻率最高達到10kHz，其波形持續時間短，很難精確測量。為此我們選定美國Dy-namicSystem公司型號為CS1622的高速數據采集卡，其采樣速率達到200MS/s，帶寬125MHz，分辨力為16位。高速數據采集卡采用SMA接口，由同軸屏蔽線接到阻抗匹配連接器電壓端N型接口，減小了高頻信號傳輸的損耗和電磁干擾。測量程序采用多次測量取平均值，同時清除噪聲干擾，保證測量數據準確可靠。

2系統組建和測量結果分析

盤式分流器的直流阻值按照直流標準電阻采用直流電流比較儀式電橋校準。其交流電阻采用比較法測量，即標準交流電流源輸出穩定電流依次通過盤式分流器和標準分流器A40B，測量兩個分流器上電壓，因相同電流可由分流器A40B阻值計算得到盤式分流器交流阻值。盤式分流器經計量校準不同頻率點阻值如表1所示。其中不同頻率下盤式分流器的阻值相對變化最大為1.5×10－4，可以看出盤式分流器頻帶很寬，符合大電流的校準要求。測試系統由超級大電流源52120A/脈沖電流源LDI-928-25輸出大電流，經過盤式分流器由數據采集卡測得電壓，計算得到電流值。系統連接圖見圖7。數據采集卡CS1622有軟件GagaScope，可以設置采樣速率、耦合方式等，直接測量有效值、幅值、上升時間、周期等量值，見圖8。實驗中超級大電流源52120A輸出100A，10kHz電流，經過分流器轉化為電壓，在數據采集卡軟件中顯示的波形如圖9所示。經過計算交流電流的數據如表2所示，標準偏差為sn(x－)=7.4×10－5A。交流電流測量不確定度主要有盤式分流器引入的分量、數據采集卡引入的分量、電流源不穩定引入的分量等組成，計算100A，10kHz交流電流測量不確定度為1×10－3。

3結論

設計了一種寬頻大電流盤式分流器，建立了大電流測試系統，可對100A，10kHz電流的有效值、幅值、周期、上升時間等參數進行精確測量。盤式分流器采用同軸結構，屏蔽了外部干擾，趨膚效應小;紫銅金屬材料散熱性能好，適合大電流測量;選用寬頻大功率電阻溫度漂移小，穩定性好。系統采用高速數據采集卡測量各種參數，測量準確度高，便于大電流測試。

作者：張建永賈云濤胡耀元岳偉張勝強單位：北京無線電計量測試研究所