一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，包括第一磁聚環(huán)M1、第二聚磁環(huán)M2、第一磁傳感器MS1、第二磁傳感器MS2、信號(hào)綜合處理電路板、DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板以及本地顯示終端，第一磁傳感器MS1、第二磁傳感器MS2測(cè)量第一磁聚環(huán)M1、第二聚磁環(huán)M2之間氣隙的磁場(chǎng)信號(hào)，并輸出表征該磁場(chǎng)大小的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)綜合處理電路板、DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板進(jìn)行信號(hào)調(diào)制后在本地顯示終端顯示被測(cè)軸的電流信號(hào)。本發(fā)明的軸電流測(cè)量裝置抗干擾能力強(qiáng)，分辨率高、檢測(cè)精度高，線(xiàn)性度優(yōu)越、響應(yīng)速度快，能滿(mǎn)足各種外形尺寸的被測(cè)電流源，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便，特別適合于船舶推進(jìn)軸、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸或者其它大直徑旋轉(zhuǎn)軸的弱電流信號(hào)測(cè)量，具有普遍適用性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及信號(hào)檢測(cè)及變換領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于防腐需要，船舶一般都會(huì)加裝外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供的電流會(huì) 在船舶軸上產(chǎn)生電流。測(cè)量船舶軸電流的大小，可以有效地了解船舶的防腐情況。
[0003] 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸所在的空間由于磁場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸兩端感應(yīng)出電壓，從而產(chǎn) 生電流信號(hào)。軸電流的長(zhǎng)期存在會(huì)導(dǎo)致軸承溫度升高，并且影響電機(jī)的使用壽命。測(cè)量軸上 電流的大小，可以輔助觀察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，提供及時(shí)的報(bào)警信號(hào)，并且為電機(jī)的控制及保 護(hù)提供依據(jù)。
[0004] 通常測(cè)量電流信號(hào)的方法主要有：電流互感器、電流傳感器、磁傳感器等。電流互 感器測(cè)量精度低、線(xiàn)性度差、分辨率較低，并且需要串入被測(cè)線(xiàn)路，顯然不適合船舶推進(jìn)軸、 電機(jī)轉(zhuǎn)子軸等旋轉(zhuǎn)軸的電流測(cè)量;對(duì)于電流傳感器，最常用的是霍爾電流傳感器，在測(cè)量大 直徑軸電流時(shí)，需要采用大口徑的霍爾傳感器，其測(cè)量大電流時(shí)，精度高、線(xiàn)性度好，但對(duì)于 船舶推進(jìn)軸或電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的弱電流信號(hào)，霍爾電流傳感器的分辨率和測(cè)量精度都嚴(yán)重下 降，不滿(mǎn)足要求。常用磁傳感器，如磁通門(mén)傳感器或磁阻傳感器精度高、線(xiàn)性度好、分辨率 高，可以測(cè)量微安級(jí)電流，是一種測(cè)量船舶推進(jìn)軸電流、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電流等弱電流信號(hào)的較 好選擇。
[0005]現(xiàn)有的測(cè)量船舶推進(jìn)軸或電機(jī)轉(zhuǎn)子軸測(cè)量裝置，如"旋轉(zhuǎn)軸電流電壓測(cè)試裝置" (專(zhuān)利號(hào)：ZL200920078356)主要是將已經(jīng)測(cè)得的軸電流和電壓信號(hào)引出來(lái)進(jìn)行測(cè)試，沒(méi)有 涉及軸電流的具體測(cè)量方案；如"一種監(jiān)測(cè)軸電流軸電壓裝置(公布號(hào)：CN202083733U)"主 要是解決模擬濾波方法的監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)單一的問(wèn)題，提出了一種監(jiān)測(cè)多個(gè)頻點(diǎn)的技術(shù)方案;如 "發(fā)電機(jī)軸電流檢測(cè)裝置(專(zhuān)利號(hào):ZL200920099208)"雖然提供一種精確檢測(cè)軸電流大小， 及時(shí)顯示并發(fā)出警報(bào)或自動(dòng)跳閘保護(hù)的方案，但是沒(méi)有提及如何具體檢測(cè)軸電流的大小， 也沒(méi)有提及檢測(cè)裝置是否可以快速安裝和拆卸，如何解決干擾問(wèn)題;如"監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)器的軸 的軸電流和/或絕緣的方法及執(zhí)行該方法的裝置(公布號(hào):CN101910857A)"提出了一種監(jiān)測(cè) 電動(dòng)機(jī)器的軸電流方案，其軸電流的檢測(cè)是基于所確定的軸電壓和相關(guān)軸電流之間的關(guān)系 而從被監(jiān)測(cè)的軸電壓推斷出來(lái)，屬于一種間接的測(cè)量方式，顯然在測(cè)量弱電流信號(hào)時(shí)，其精 度和靈敏度將大受影響。如"一種發(fā)電機(jī)軸電壓軸電流在線(xiàn)檢測(cè)裝置（公布號(hào)： CN201611383U)"，其特征在于在發(fā)電機(jī)軸承氣端上安裝電流互感器來(lái)測(cè)量軸電流大小。但 是，電流互感器在測(cè)量弱電流時(shí)精度低、靈敏度差、線(xiàn)性度差;如"一種船舶艉軸電流檢測(cè)裝 置(公布號(hào):CN102508001A)"的主要思想為:在被測(cè)船舶艉軸上的軸承座后段上固定安裝有 傳感器電路單元，采用成品或自行設(shè)計(jì)的電流傳感器;傳感器電路單元與船舶艉軸焊接固 定連接或采用滑環(huán)固定連接，實(shí)現(xiàn)微弱電流的暢通。該裝置不能實(shí)現(xiàn)快速安裝和拆卸，不能 適應(yīng)維修性要求，并且船舶艉軸所處電磁環(huán)境復(fù)雜，文中并沒(méi)有給出如何提高檢測(cè)裝置的 靈敏度和抗干擾能力。
[0006] 對(duì)于由于船舶推進(jìn)軸電流、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電流等的測(cè)量，采取非接觸式測(cè)量可以不 影響被測(cè)軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且不需要滑環(huán)，減小了維護(hù)保養(yǎng)的工作量。此外，船舶推進(jìn)軸或 電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的電流都是弱電流信號(hào)，但是其所處的電磁環(huán)境一般較為復(fù)雜，很容易導(dǎo)致測(cè) 量裝置受干擾，而影響測(cè)量精度。在目前公開(kāi)的測(cè)量方法中，并沒(méi)有哪一種軸電流檢測(cè)裝置 能夠快速安裝和拆卸、非接觸、高精度測(cè)量并且抗干擾能力強(qiáng)的測(cè)量方案。
[0007] 采用非接觸式測(cè)量軸電流的方案中，一般是通過(guò)測(cè)量被測(cè)軸電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從 而反演出電流的大小。常用的磁傳感器，如磁通門(mén)傳感器、磁阻傳感器等是一種測(cè)量弱磁場(chǎng) 的較好選擇，但是單純通過(guò)磁傳感器測(cè)量被測(cè)軸在空氣中的磁場(chǎng)，顯然會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精 度、靈敏度以及分辨率。采用磁聚環(huán)將推進(jìn)軸電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)匯聚，再通過(guò)磁傳感器進(jìn)行測(cè) 量，可以有效地提高測(cè)量精度和測(cè)量的靈敏度。但是，通常磁聚環(huán)都是整環(huán)設(shè)計(jì)，雖然測(cè)量 精度較高，但是抗干擾能力略顯不足?？紤]到船舶推進(jìn)軸或電機(jī)轉(zhuǎn)子軸周?chē)鷱?fù)雜的電磁環(huán) 境，要求檢測(cè)裝置抗干擾能力強(qiáng)，并且要求檢測(cè)裝置能快速安裝、拆卸和維修等，顯然，常規(guī) 設(shè)計(jì)的磁聚環(huán)和磁傳感器難以滿(mǎn)足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對(duì)船舶推進(jìn)軸、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸等大直徑軸的弱電流信號(hào)的測(cè)量， 提供一種適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)，能快速拆裝和維修的測(cè)量裝置。
[0009] 具體而言，本發(fā)明提供了一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，包括第一磁聚 環(huán)Ml、第二聚磁環(huán)M2、第一磁傳感器MSI、第二磁傳感器MS2、信號(hào)綜合處理電路板5、DSP數(shù)字 信號(hào)處理電路板6以及本地顯示終端7,所述第一磁聚環(huán)Ml和第二聚磁環(huán)M2在被測(cè)軸的外周 形成有兩個(gè)不同位置的氣隙，所述第一磁傳感器MSI、第二磁傳感器MS2分別設(shè)置在上述不 同位置的氣隙中，用于分別測(cè)量所述氣隙中的磁場(chǎng)，輸出表征該磁場(chǎng)的電壓信號(hào);所述信號(hào) 綜合處理電路板5用于對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理以及對(duì)所述的軸電流測(cè)量裝置進(jìn)行供 電；所述DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板6用于對(duì)所述的信號(hào)綜合處理電路板5調(diào)理后的電壓信號(hào) 進(jìn)行數(shù)字采樣和處理，并輸出所述被測(cè)軸的電流數(shù)字信號(hào)，所述本地顯示終端7用于將所述 的電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示。
[0010] 進(jìn)一步的，所述第一聚磁環(huán)Ml和第二聚磁環(huán)M2均為半圓形磁環(huán)，兩個(gè)半圓形聚磁 環(huán)對(duì)稱(chēng)分布在被測(cè)軸的外表面構(gòu)成聚磁圓環(huán)，所述聚磁圓環(huán)與所述被測(cè)軸之間相隔預(yù)定的 安全距離，兩個(gè)半圓形磁聚環(huán)之間具有預(yù)定間距的氣隙，所述聚磁環(huán)用于沿圓周方向匯聚 所述被測(cè)軸電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)；
[0011] 所述第一磁傳感器MSI和所述第二磁傳感器MS2分別連接至所述的信號(hào)綜合處理 電路板5,并且將各自所測(cè)得的氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為與被測(cè)軸電流大小成正比的電 壓信號(hào)U1A和U2A。
[0012] 進(jìn)一步的，所述的信號(hào)綜合處理電路板5包括:EMI濾波器8、第一電源變換模塊9、 第二電源變換模塊1 〇、第三電源變換模塊11、模擬信號(hào)采集電路12、模擬信號(hào)調(diào)理電路13、 差分運(yùn)算及調(diào)理電路14、高精度V/I變換電路15、校正電路16以及置位/復(fù)位電路17,所述的 EMI濾波器8用于對(duì)外部輸入的直流電源進(jìn)行高頻濾波，然后經(jīng)過(guò)所述的第一電源變換模塊 9，將所述外部輸入的直流電源變換為第一直流電源，給所述的第一磁傳感器MSI和第二磁 傳感器MS2供電;經(jīng)過(guò)所述第二電源變換模塊10,將外部輸入的直流電源轉(zhuǎn)換為第二直流電 源，給所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板6供電;經(jīng)過(guò)所述的第三電源變換模塊11，將外部輸入 的直流電源轉(zhuǎn)換為第三直流電源，為所述的模擬信號(hào)采集電路12、模擬信號(hào)調(diào)理電路13、差 分運(yùn)算及調(diào)理電路14、高精度V/I變換電路15、校正電路16以及置位/復(fù)位電路17供電；
[0013] 所述電壓信號(hào)U1A和U2A經(jīng)過(guò)所述信號(hào)綜合處理電路板5中的模擬信號(hào)采集電路12 進(jìn)行差分采樣，得到信號(hào)m B和u2B，然后再經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理電路13進(jìn)行濾波和放大，得到 模擬信號(hào)me和U2C。
[0014] 進(jìn)一步的，所述電壓信號(hào)U1A和U2A經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算和調(diào)理電路14進(jìn)行差分運(yùn)算及信 號(hào)的濾波和變換后，得到表征被測(cè)軸電流大小的電壓信號(hào)m2;所述的電壓信號(hào)u12經(jīng)過(guò)高精 度的V/I變換電路15進(jìn)行電壓到電流的轉(zhuǎn)換，得到標(biāo)準(zhǔn)的電流模擬信號(hào)i zl，用于控制或遠(yuǎn)距 離對(duì)外輸出，
[0015] 所述的校正電路16對(duì)所述的第一磁傳感器MSI和第二磁傳感器MS2進(jìn)行偏置量的 校正；
[0016] 所述的置位/復(fù)位電路17對(duì)所述的第一磁傳感器MSI和第二磁傳感器MS2進(jìn)行上電 初始的置位或者復(fù)位，使得磁傳感器內(nèi)部的磁疇呈現(xiàn)規(guī)則排列。
[0017] 進(jìn)一步的，所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板6包括:DSP模塊18、FPGA模塊19、外部高 精度A/D變換模塊20、CAN通訊模塊21、以太網(wǎng)通訊模塊22、串口通訊模塊23以及供電電源模 塊24，
[0018]所述的供電電源模塊24的輸入來(lái)自所述的第三電源變換模塊11，然后將第三直流 電源的電壓轉(zhuǎn)換為所述的DSP模塊18、FPGA模塊19、外部高精度A/D變換模塊20、CAN通訊模 塊21、以太網(wǎng)通訊模塊22以及串口通訊模塊23所需的電源電壓；
[0019] 所述的模擬信號(hào)ulc和u2C經(jīng)過(guò)外部高精度A/D變換模塊20后得到離散的數(shù)字信號(hào) U1D和U2D，再經(jīng)過(guò)FPGA模塊19進(jìn)行高速采樣和均值濾波處理后，得到信號(hào) Ul#pU2E;K述信號(hào) mE和u2E經(jīng)過(guò)DSP模塊18進(jìn)行數(shù)字差分運(yùn)算、偏置量補(bǔ)償、非線(xiàn)性誤差補(bǔ)償、直流分量與交流 分量分離以及數(shù)字FFT分析等處理后得到被測(cè)軸電流的直流分量i z_dcl、交流基波分量iz_acl 以及交流諧波分量，測(cè)得的軸電流的直流分量iz_dcl、交流基波分量iz_ acl以及交流諧波 分量iz_acn通過(guò)CAN通訊模塊21、以太網(wǎng)通訊模塊22或者串口通訊模塊23發(fā)送至本地顯示終 端7進(jìn)行顯示或者對(duì)外輸出。
[0020] 特別的，所述DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板6中DSP模塊18基于下述計(jì)算方法對(duì)各磁傳 感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算處理：
[0021] 首先，獲得各磁傳感器的輸出電壓與磁傳感器測(cè)量過(guò)程中各參數(shù)的關(guān)系公式(I)
[0022] UiD = U〇D+aHx+0Hx2+ γ Ηχ3+ε(5T)+Hd (I)其中，UiD為各磁傳感器的輸出電壓信號(hào) m經(jīng)過(guò)濾波、放大、A/D變換及調(diào)理后得到的數(shù)字信號(hào)，υ?、α、β和γ分別表示零偏、線(xiàn)性、二 次誤差和三次誤差系數(shù)，ST和ε分別表示溫漂及其系數(shù)，Hd表示環(huán)境干擾磁場(chǎng)，其中Ηχ與被測(cè) 軸電流成線(xiàn)性關(guān)系；
[0023]將兩個(gè)所述磁傳感器所對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓信號(hào)分別代入上述公式(I)，獲得式(II)
[0025] 由于兩個(gè)傳感器的特性基本一致，并且安裝的相對(duì)位置基本一致，則認(rèn)為:αι = α2; 如=β2; γ i = γ 2，基于此，分別對(duì)上下兩個(gè)所述磁傳感器的輸出作差分運(yùn)算處理，如式 (ΠΙ)所示；
[0026] Δ Ui2 = UiD-U2D = 2aiHx+2 γ iHx3+(Hdi-Hd3) (III)
[0027] 環(huán)境干擾磁場(chǎng)在兩個(gè)磁感器處產(chǎn)生的干擾基本相同，則Hdl = Hd2，由此，式（III)簡(jiǎn) 化為式(IV)
[0028] AUi2 = 2aiHx+2yiHx3 (IV)
[0029] 對(duì)于式（IV)中的非線(xiàn)性誤差項(xiàng)2 γιΗχ3,在所述的DSP模塊18中進(jìn)行補(bǔ)償后得到：Δ U 12 = 2aiHx，從而獲得經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算處理后的電壓信號(hào)，基于該電壓信號(hào)能夠獲得被測(cè)軸電 流產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，由該磁場(chǎng)信號(hào)計(jì)算出被測(cè)軸電流。
[0030] 特別的，所述的第一聚磁環(huán)Ml和第二聚磁環(huán)M2采用高磁導(dǎo)率的材質(zhì)制作;所述的 第一磁傳感器MSI和所述第二磁傳感器MS2選用高精度、高分辨率、高靈敏度、低噪聲的磁傳 感器。
[0031] 進(jìn)一步的，所述的本地顯示終端7采用液晶顯示屏，能夠顯示被測(cè)軸的電流，包括 被測(cè)軸電流的直流分量、交流基波分量及交流諧波分量，通過(guò)所述的本地顯示終端7能夠?qū)?所述的測(cè)量裝置的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改和在線(xiàn)標(biāo)定。
[0032]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0033] 1)本發(fā)明所述的測(cè)量裝置精度高、線(xiàn)性度好、分辨率高、響應(yīng)速度快、頻率特性好。
[0034] 2)本發(fā)明所述的測(cè)量裝置采用的磁聚環(huán)結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱(chēng)形式，采用的磁傳感器體積 小，便于安裝和拆卸。
[0035] 3)本發(fā)明所述的測(cè)量裝置采用2個(gè)磁聚環(huán)和2個(gè)磁傳感器呈對(duì)稱(chēng)布置，采用差分法 可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度，并且抗干擾能力增強(qiáng)，非常適合復(fù)雜的電磁環(huán)境中弱電流信號(hào) 的測(cè)量。
[0036] 4)本發(fā)明所述的測(cè)量裝置采用的2個(gè)磁聚環(huán)組合形成一個(gè)圓形磁環(huán)，能適應(yīng)被測(cè) 電流源的各種尺寸和形狀，并且可以快速安裝和拆卸，方便維修，特別適合船舶推進(jìn)軸、電 機(jī)轉(zhuǎn)子軸等旋轉(zhuǎn)軸的電流測(cè)量。
[0037] 5)本發(fā)明所述的測(cè)量裝置具有普遍適用性，可以進(jìn)一步推廣到采用m個(gè)磁聚環(huán)和m 個(gè)磁傳感器對(duì)稱(chēng)布置(m為不小于2的偶數(shù)），每一個(gè)磁傳感器置于相鄰兩個(gè)磁聚環(huán)的氣隙之 間，通過(guò)多重差分技術(shù)提高測(cè)量精度和抗干擾能力。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1為本發(fā)明的測(cè)量裝置的組成示意圖。
[0039]圖2為本發(fā)明的測(cè)量裝置的具體工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。
[0041] 圖1給出本發(fā)明所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置。
[0042] 如圖1所示，該非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，包括第一磁聚環(huán)Ml(l)、第二聚 磁環(huán)M2(2)、第一磁傳感器MSI (3)、第二磁傳感器MS2(4)、信號(hào)綜合處理電路板5、DSP數(shù)字信 號(hào)處理電路板6以及本地顯示終端7。
[0043]所述的第一聚磁環(huán)Ml(l)和第二聚磁環(huán)M2(2)采用高磁導(dǎo)率的材質(zhì)制作，如鐵基非 晶或者鐵基納米晶；所述的第一磁傳感器MS1(3)和所述第二磁傳感器MS2(4)選用高精度、 高分辨率、高靈敏度、低噪聲的磁傳感器，如磁阻傳感器或磁通門(mén)傳感器。
[0044]所述的信號(hào)綜合處理電路板5包括:EMI濾波器8、第一電源變換模塊9、第二電源變 換模塊10、第三電源變換模塊11、模擬信號(hào)采集電路12、模擬信號(hào)調(diào)理電路13、差分運(yùn)算及 調(diào)理電路14、高精度V/I變換電路15、校正電路16以及置位/復(fù)位電路17。
[0045]所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板6包括DSP模塊18、FPGA模塊19、外部高精度A/D變 換模塊20、CAN通訊模塊21、以太網(wǎng)通訊模塊22、串口通訊模塊23以及供電電源模塊24。所述 的DSP模塊18可以采用DSP28335。
[0046] 所述的本地顯示終端7采用液晶顯示屏，能夠顯示被測(cè)軸的電流，包括被測(cè)軸電流 的直流分量、交流基波分量及交流諧波分量，通過(guò)所述的本地顯示終端7能夠?qū)λ龅臏y(cè)量 裝置的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改和在線(xiàn)標(biāo)定。
[0047] 所述第一聚磁環(huán)Ml和第二聚磁環(huán)M2均為半圓形磁芯，兩個(gè)磁聚集環(huán)對(duì)稱(chēng)分布在被 測(cè)軸的外表面構(gòu)成聚磁圓環(huán)，兩個(gè)聚磁環(huán)所構(gòu)成的圓環(huán)與所述被測(cè)軸之間相隔預(yù)定的安全 距離，兩個(gè)半圓形磁聚環(huán)之間具有預(yù)定間距的氣隙，所述聚磁環(huán)用于沿圓周方向匯聚所述 被測(cè)軸產(chǎn)生的磁場(chǎng)；
[0048] 所述第一磁傳感器MSI和所述第二磁傳感器MS2插入在所述第一聚磁環(huán)Ml和第二 聚磁環(huán)M2之間的氣隙中。兩個(gè)所述磁傳感器分別測(cè)量上下氣隙中的磁場(chǎng)大小；
[0049] 所述第一磁傳感器MSI和所述第二磁傳感器MS2分別連接至所述的信號(hào)綜合處理 電路板5,并且將各自所測(cè)得的氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為與被測(cè)軸電流大小成正比的電 壓信號(hào)U1A和U2A。一方面，電壓信號(hào)U1A和U2A經(jīng)過(guò)信號(hào)綜合處理電路板5中的模擬信號(hào)米集電 路12進(jìn)行差分采樣，得到信號(hào)U 1B和U2B，然后再經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理電路13進(jìn)行濾波和放大， 得到信號(hào)咖和咖;信號(hào)u1G和u 2G經(jīng)過(guò)外部高精度A/D變換模塊20后得到離散的數(shù)字信號(hào)u1D 和U2D，再經(jīng)過(guò)FPGA模塊19進(jìn)行高速米樣和均值濾波處理后，得到信號(hào)U1E和U2E;信號(hào)U1E和U2E 經(jīng)過(guò)DSP模塊18進(jìn)行數(shù)字差分運(yùn)算、偏置量補(bǔ)償、非線(xiàn)性誤差補(bǔ)償、直流分量與交流分量分 離以及數(shù)字FFT分析等處理后得到被測(cè)軸電流的直流分量i z_dcl、交流基波分量iz_acl以及交 流諧波分量i z_ac；n(n為諧波次數(shù)），測(cè)得的軸電流的直流分量iz+cbi、交流基波分量iz_ ac；i以及 交流諧波分量iz_acn(n為諧波次數(shù))可以通過(guò)CAN通訊模塊21、以太網(wǎng)通訊模塊22或者串口通 訊模塊23發(fā)送至本地顯示終端7顯示或者對(duì)外輸出；
[0050] 另一方面，電壓信號(hào)U1A和U2A經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算和調(diào)理電路14進(jìn)行差分運(yùn)算及信號(hào)的 濾波及變換后，得到表征被測(cè)軸電流大小的信號(hào)u 12;電壓信號(hào)u12;經(jīng)過(guò)高精度的V/I變換電 路15進(jìn)行電壓到電流的轉(zhuǎn)換，得到標(biāo)準(zhǔn)的電流模擬信號(hào)i zl，對(duì)外輸出。
[0051] 所述的EMI濾波器8用于對(duì)外部輸入的DC24V進(jìn)行高頻濾波，然后經(jīng)過(guò)所述的第一 電源變換模塊10,將DC24V變換為+5V，給所述的第一磁傳感器MSI和第二磁傳感器MS2供電； 經(jīng)過(guò)所述的第二電源變換模塊11，將DC24V變換為± 12V，為所述的模擬信號(hào)采集電路12、模 擬信號(hào)調(diào)理電路13、差分運(yùn)算及調(diào)理電路14、高精度V/I變換電路15、校正電路16以及置位/ 復(fù)位電路17供電；經(jīng)過(guò)所述第三電源變換模塊11，將DC24V變換為+5V，給所述的DSP數(shù)字信 號(hào)處理電路板6供電；
[0052] 所述的校正電路16主要是對(duì)所述的第一磁傳感器MSI和第二磁傳感器MS2進(jìn)行偏 置量的校正；
[0053] 所述的置位/復(fù)位電路17主要是對(duì)所述的第一磁傳感器MSI和第二磁傳感器MS2進(jìn) 行上電初始的置位或者復(fù)位，使得磁傳感器內(nèi)部的磁疇呈現(xiàn)規(guī)則排列，從而使得磁傳感器 的靈敏度、噪音等特性達(dá)到最優(yōu)的使用狀態(tài)；
[0054]所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板6包括:DSP模塊18、FPGA模塊19、外部高精度A/D變 換模塊20、CAN通訊模塊21、以太網(wǎng)通訊模塊22、串口通訊模塊23以及供電電源模塊24; [0055]所述的供電電源模塊24的輸入來(lái)自所述的第三電源變換模塊11，然后將+5V變?yōu)? 3.3V、+1.8V、+5V基準(zhǔn)電壓，為所述的DSP模塊18、FPGA模塊19、外部高精度A/D變換模塊20、 CAN通訊模塊21、以太網(wǎng)通訊模塊22以及串口通訊模塊23供電。
[0056]圖2給出本發(fā)明的非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置工作流程如下：
[0057] 1)初始化磁傳感器MS1、MS2,初始化DSP、FPGA及A/D變換模塊；
[0058] 2)通過(guò)磁傳感器MSI和MS2分別測(cè)量上下兩個(gè)氣隙中的磁場(chǎng)大小，分別輸出電壓信 號(hào)U1和U2 ;
[0059] 3)對(duì)u#Pu2進(jìn)行模擬信號(hào)采集，得到電壓模擬信號(hào)ul^Pu2A;-方面經(jīng)過(guò)低通濾波 和放大后得到模擬信號(hào)uie和U2C;
[0060] 4)通過(guò)外部高精度A/D變換模塊，將模擬電壓信號(hào)ulc和u2C變換為數(shù)字電壓信號(hào)u 1D 和U2D ;
[0061] 5)通過(guò)FPGA模塊對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)U1D和U2D進(jìn)行高速采集，并進(jìn)行均值濾波處理，得 到數(shù)字信號(hào)m#Pu 2E，并送入DSP模塊進(jìn)行運(yùn)算和處理。
[0062] 6)在DSP模塊中首先對(duì)兩路電壓信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算，其運(yùn)算步驟為：
[0063]首先，獲得各磁傳感器的輸出電壓與磁傳感器測(cè)量過(guò)程中各參數(shù)的關(guān)系公式(I) [0064] UiD = U〇D+aHx+0Hx2+ γ Ηχ3+ε(5T)+Hd (I)其中，U iD為各磁傳感器的輸出電壓信號(hào) m經(jīng)過(guò)濾波、放大、A/D變換及調(diào)理后得到的數(shù)字信號(hào)，υ?、α、β和γ分別表示零偏、線(xiàn)性、二 次誤差和三次誤差系數(shù)，ST和ε分別表示溫漂及其系數(shù)，Hd表示環(huán)境干擾磁場(chǎng)，其中Ηχ與被測(cè) 軸電流成線(xiàn)性關(guān)系；
[0065]將兩個(gè)所述磁傳感器所對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓信號(hào)分別代入上述公式(I)，獲得式(II)
[0067] 由于兩個(gè)傳感器的特性基本一致，并且安裝的相對(duì)位置基本一致，則可以認(rèn)為:αι = = ^ γι= γ2,基于此，分別對(duì)上下兩個(gè)所述磁傳感器的輸出作差分運(yùn)算處理，如式 (ΠΙ)所示。
[0068] Δ U12 = U1D-U2D = 2αιΗχ+2 γ ιΗχ3+(Hdi-Hd3 )(111)
[0069] 可以認(rèn)為環(huán)境干擾磁場(chǎng)在兩個(gè)磁感器處產(chǎn)生的干擾基本相同，則Hdl = Hd2,由此， 式(III)可以簡(jiǎn)化為式(IV)。
[0070] AUi2 = 2aiHx+2yiHx3 (IV)
[0071] 對(duì)于式（IV)中的非線(xiàn)性誤差項(xiàng)2 γιΗχ3,在DSP模塊中進(jìn)行補(bǔ)償，可以近似消除，因 此，可以得到：A U12 = 2aiHx，從而獲得經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算處理后的電壓信號(hào)，基于該電壓信號(hào)可 以獲得由軸電流產(chǎn)生的環(huán)路磁場(chǎng)信號(hào)，由該磁場(chǎng)信號(hào)可以計(jì)算出軸電流。
[0072] 7)在DSP中對(duì)軸電流進(jìn)行解算，通過(guò)數(shù)字FFT分析，得到軸電流直流分量、軸電流交 流基波分量及軸電流諧波分量。
[0073]由于被測(cè)軸電流產(chǎn)生的環(huán)路磁場(chǎng)Hx正比于軸電流Ix，結(jié)合式（IV)，即可解算出軸電 流的大小?？紤]到被測(cè)軸電流包含直流分量和交變分量，還需要對(duì)軸電流進(jìn)行數(shù)字FFT分 析，分離出直流分量和交流分量。
[0074] 8)最后，通過(guò)CAN、以太網(wǎng)或串口通訊的方式，一方面將被測(cè)軸電流的直流分量、交 流基波分量及交流諧波分量發(fā)送至本地顯示終端顯示；另一方面發(fā)送至上位機(jī)或其它需要 的設(shè)備。
[0075]在步驟3)中，對(duì)udPu2進(jìn)行模擬信號(hào)采集，得到電壓模擬信號(hào)m/^U2A; -方面經(jīng)過(guò) 低通濾波和放大后得到模擬信號(hào)me和U2C;另外一方面對(duì)兩路模擬信號(hào)UU和U2A進(jìn)行電路上 的差分運(yùn)算后，得到差分電壓信號(hào)，再通過(guò)高精度V/I變換電路及調(diào)理電路將該信號(hào)變換為 標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，該信號(hào)主要是利于遠(yuǎn)距離對(duì)外傳輸，以及發(fā)送至其它所需的裝置進(jìn)行相 應(yīng)的控制或保護(hù)。
[0076]本發(fā)明不僅局限于上述【具體實(shí)施方式】，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施例和附圖公 開(kāi)內(nèi)容，可以采用其它多種【具體實(shí)施方式】實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和 思路，做一些簡(jiǎn)單的變換或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在于，包括第一磁聚環(huán)Ml (1)、第二 聚磁環(huán)M2(2)、第一磁傳感器151(3)、第二磁傳感器152(4)、信號(hào)綜合處理電路板巧）、05口數(shù) 字信號(hào)處理電路板(6) W及本地顯示終端(7)，所述第一磁聚環(huán)Ml(l)和第二聚磁環(huán)M2(2)在 被測(cè)軸的外周形成有兩個(gè)不同位置的氣隙，所述第一磁傳感器MSU3)、第二磁傳感器MS2 (4)分別設(shè)置在上述不同位置的氣隙中，用于分別測(cè)量所述氣隙中的磁場(chǎng)，輸出表征該磁場(chǎng) 的電壓信號(hào)；所述信號(hào)綜合處理電路板(5)用于對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理W及對(duì)所述的 軸電流測(cè)量裝置進(jìn)行供電;所述DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板(6)用于對(duì)所述的信號(hào)綜合處理電 路板(5)調(diào)理后的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣和處理，并輸出所述被測(cè)軸的電流數(shù)字信號(hào)，所述 本地顯示終端(7)用于將所述的電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示。2. 如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在于，所述第一 聚磁環(huán)Ml(l)和第二聚磁環(huán)M2(2)均為半圓形磁環(huán)，兩個(gè)半圓形聚磁環(huán)對(duì)稱(chēng)分布在被測(cè)軸的 外表面構(gòu)成聚磁圓環(huán)，所述聚磁圓環(huán)與所述被測(cè)軸之間相隔預(yù)定的安全距離，兩個(gè)半圓形 磁聚環(huán)之間具有預(yù)定間距的氣隙，所述聚磁環(huán)用于沿圓周方向匯聚所述被測(cè)軸電流產(chǎn)生的 磁場(chǎng)； 所述第一磁傳感器MS1(3)和所述第二磁傳感器MS2(4)分別連接至所述的信號(hào)綜合處 理電路板(5)，并且將各自所測(cè)得的氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為與被測(cè)軸電流大小成正比 的電壓信號(hào)U1A和U2A。3. 如權(quán)利要求2所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在于，所述的信 號(hào)綜合處理電路板（5)包括:EMI濾波器（8)、第一電源變換模塊（9)、第二電源變換模塊 (10)、第Ξ電源變換模塊（11)、模擬信號(hào)采集電路（12)、模擬信號(hào)調(diào)理電路（13)、差分運(yùn)算 及調(diào)理電路（14)、高精度V/I變換電路（15)、校正電路（16) W及置位/復(fù)位電路(17)，所述的 EMI濾波器(8)用于對(duì)外部輸入的直流電源進(jìn)行高頻濾波，然后經(jīng)過(guò)所述的第一電源變換模 塊(9)，將所述外部輸入的直流電源變換為第一直流電源，給所述的第一磁傳感器MS1(3)和 第二磁傳感器MS2(4)供電；經(jīng)過(guò)所述第二電源變換模塊（10)，將外部輸入的直流電源轉(zhuǎn)換 為第二直流電源，給所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板(6)供電；經(jīng)過(guò)所述的第Ξ電源變換模 塊(11)，將外部輸入的直流電源轉(zhuǎn)換為第Ξ直流電源，為所述的模擬信號(hào)采集電路(12)、模 擬信號(hào)調(diào)理電路（13)、差分運(yùn)算及調(diào)理電路（14)、高精度V/I變換電路（15)、校正電路（16) W及置位/復(fù)位電路(17)供電； 所述電壓信號(hào)U1A和U2A經(jīng)過(guò)所述信號(hào)綜合處理電路板(5)中的模擬信號(hào)采集電路(12)進(jìn) 行差分采樣，得到信號(hào)U1B和U2B，然后再經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理電路（13)進(jìn)行濾波和放大，得到 模擬信號(hào)U1C和U2C。4. 如權(quán)利要求3所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在于，所述電壓 信號(hào)U1A和U2A經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算和調(diào)理電路（14)進(jìn)行差分運(yùn)算及信號(hào)的濾波和變換后，得到表 征被測(cè)軸電流大小的電壓信號(hào)U12;所述的電壓信號(hào)U12經(jīng)過(guò)高精度的V/1變換電路（15)進(jìn)行 電壓到電流的轉(zhuǎn)換，得到標(biāo)準(zhǔn)的電流模擬信號(hào)izi，用于控制或遠(yuǎn)距離對(duì)外輸出， 所述的校正電路（16)對(duì)所述的第一磁傳感器MS1(3)和第二磁傳感器MS2(4)進(jìn)行偏置 量的校正； 所述的置位/復(fù)位電路（17)對(duì)所述的第一磁傳感器MSI (3)和第二磁傳感器MS2(4)進(jìn)行 上電初始的置位或者復(fù)位，使得磁傳感器內(nèi)部的磁疇呈現(xiàn)規(guī)則排列。5. 如權(quán)利要求4所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在于，所述的 DSP數(shù)字信號(hào)處理電路板(6)包括:DSP模塊（18)、FPGA模塊（19)、外部高精度A/D變換模塊 (20)、CAN通訊模塊(21)、W太網(wǎng)通訊模塊(22)、串口通訊模塊(23) W及供電電源模塊(24)， 所述的供電電源模塊(24)的輸入來(lái)自所述的第Ξ電源變換模塊（11)，然后將第Ξ直流 電源的電壓轉(zhuǎn)換為所述的DSP模塊（18)、FPGA模塊（19)、外部高精度A/D變換模塊(20)、CAN 通訊模塊(21)、W太網(wǎng)通訊模塊(22) W及串口通訊模塊(23)所需的電源電壓； 所述的模擬信號(hào)me和U2C經(jīng)過(guò)外部高精度A/D變換模塊(20)后得到離散的數(shù)字信號(hào)U1D 和化D，再經(jīng)過(guò)FPGA模塊（19)進(jìn)行高速采樣和均值濾波處理后，得到信號(hào)山E和U2E;所述信號(hào) me和U2E經(jīng)過(guò)DSP模塊（18)進(jìn)行數(shù)字差分運(yùn)算、偏置量補(bǔ)償、非線(xiàn)性誤差補(bǔ)償、直流分量與交 流分量分離W及數(shù)字F F T分析等處理后得到被測(cè)軸電流的直流分量i Z _ d。1、交流基波分量 iz_ac擬及交流諧波分量iz_acn，測(cè)得的軸電流的直流分量iz_dcl、交流基波分量iz_a。擬及交流 諧波分量iz_acn通過(guò)CAN通訊模塊(21)、W太網(wǎng)通訊模塊(22)或者串口通訊模塊(23)發(fā)送至 本地顯示終端(7)進(jìn)行顯示或者對(duì)外輸出。6. 如權(quán)利要求5所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在于，所述DSP 數(shù)字信號(hào)處理電路板(6)中DSP模塊（18)基于下述計(jì)算方法對(duì)各磁傳感器輸出的電壓信號(hào) 進(jìn)行差分運(yùn)算處理： 首先，獲得各磁傳感器的輸出電壓與磁傳感器測(cè)量過(guò)程中各參數(shù)的關(guān)系公式(I) UiD = U〇D+aHx+冊(cè) χ2+ 丫出3+ε (δτ) +出 （I) 其中，UiD為各磁傳感器的輸出電壓信號(hào)m經(jīng)過(guò)濾波、放大、A/D變換及調(diào)理后得到的數(shù) 字信號(hào)，υ〇η、α、β和丫分別表示零偏、線(xiàn)性、二次誤差和立次誤差系數(shù)，δΤ和ε分別表示溫漂及 其系數(shù)，曲表示環(huán)境干擾磁場(chǎng)，其中出與被測(cè)軸電流成線(xiàn)性關(guān)系； 將兩個(gè)所述磁傳感器所對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓信號(hào)分別代入上述公式(I)，獲得式(II)由于兩個(gè)傳感器的特性基本一致，并且安裝的相對(duì)位置基本一致，則認(rèn)為:cti = 02 ;βι = 02; 丫 1= 丫 2,基于此，分別對(duì)上下兩個(gè)所述磁傳感器的輸出作差分運(yùn)算處理，如式（III)所 示； (III) 環(huán)境干擾磁場(chǎng)在兩個(gè)磁感器處產(chǎn)生的干擾基本相同，貝貼1 =出2,由此，式（III)簡(jiǎn)化為 式(TV)(IV) 對(duì)于式（IV)中的非線(xiàn)性誤差項(xiàng)2 υιΗΛ在所述的DSP模塊（18)中進(jìn)行補(bǔ)償后得到：Δ化2 =化1出，從而獲得經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算處理后的電壓信號(hào)，基于該電壓信號(hào)能夠獲得被測(cè)軸電流 產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，由該磁場(chǎng)信號(hào)計(jì)算出被測(cè)軸電流。7. 如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在 于，所述的第一聚磁環(huán)Ml(l)和第二聚磁環(huán)M2(2)采用高磁導(dǎo)率的材質(zhì)制作;所述的第一磁 傳感器MSI (3)和所述第二磁傳感器MS2 (4)選用高精度、高分辨率、高靈敏度、低噪聲的磁傳 感器。8.如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的一種非接觸式的高精度軸電流測(cè)量裝置，其特征在 于，所述的本地顯示終端（7)采用液晶顯示屏，能夠顯示被測(cè)軸的電流，包括被測(cè)軸電流的 直流分量、交流基波分量及交流諧波分量，通過(guò)所述的本地顯示終端(7)能夠?qū)λ龅臏y(cè)量 裝置的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改和在線(xiàn)標(biāo)定。
【文檔編號(hào)】G01R19/25GK106093548SQ201610630908
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月4日 公開(kāi)號(hào)201610630908.X, CN 106093548 A, CN 106093548A, CN 201610630908, CN-A-106093548, CN106093548 A, CN106093548A, CN201610630908, CN201610630908.X
【發(fā)明人】徐林, 耿攀, 余定峰, 左超, 楊文鐵, 楊勇, 張平, 王建勛, 孫瑜, 魏華, 徐正喜, 陳濤, 羅偉, 李文華, 鄭中詳, 謝煒, 姜波, 吳浩偉, 吳大立, 蔡凱, 余躍聽(tīng), 雷津, 袁陽(yáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所