多通道电流传感器自动测试系统

作者简介：李斌(1991—)，男，主要研究方向：精密测量、仪器仪表。E-mail：libin@primsci.com。

孙向平(1984—)，男，通信作者，硕士，工程师，主要研究方向：计量测试、仪器仪表。E-mail：libin@primsci.com。

高金伟(1987—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：计量测试、仪器仪表。E-mail：gaojinwei@primsci.com。

0   引言

随着电力系统的发展，电流测量需求促使着电流传感器行业日新月异，各种规格、类型的电流传感器层出不穷，对测试设备的需求也越来越高^[1]。在以往的电流传感器生产/ 校准过程中，每一项技术指标都需要一套专用测试系统，复杂且效率低下，覆盖能力较差^[2-3]。针对上述问题，本文提出一种多通道电流传感器自动测试系统，能够自动测试传感器的各项基本参数，保存数据，生成图表。提高生产效率的同时能够保证所有传感器都经过测试筛选，大大提升了生产的可靠性。

本测试系统主要测试项目有直流比例误差、上升时间、电流响应速度、零点偏置、零点漂移、线性度等。

1   测试系统组成

多通道电流传感器自动测试系统原理框图如图1 所示，包括精密恒流源、桥式换向模块及逻辑控制单元、标准电流传感器、传感器供电及可编程负载阵列、多路复用器（MUX）、信号调理电路、高精度ADC、主控制器、数据处理及储存模块、通信模块及人机交互模块。

精密恒流源为数字/ 模拟双闭环的程控电流源，为被测传感器提供测试电流，同时可以并机或等安匝法以提高等效电流范围^[4]。桥式换向及逻辑控制模块可以根据人机交互输入信息改变被测电流传感器的输入电流方向。标准电流传感器为与被测电流传感器比例一致、精度更高且有上级校准数据的标准电流传感器，在精密恒流源准确度与被测传感器准确度不满足1/3 关系时使用，作为比较测试法的主要标准。

测试系统具体技术指标如表1 所示，直接测试法与比较测试法可以将比例误差的测试范围扩展到10-5^[5-6]，覆盖市面上绝大多数电流传感器。

2   测试系统原理及测试方法

2.1 精密恒流源

精密恒流源模块^[7-11]采用磁通门电流传感器作为输出电流反馈，其原理框图如图2 所示。市电经过保险丝、共模滤波器等转换为交流低压，经过整流滤波模块成直流低压给MOSFET 供电，作为主功率输出级。基准电压源为ADC、DAC 提供稳定的电压参考信号；用户界面的设定的电流值经过微控制器转换为对应的数值发送给DAC，DAC 将该数值通过R2R 结构将基准电压源的电压值分出具体电压信号作为误差比较模块的参考信号，输出大电流经过传感器等比例变换为小电流经过采样电阻转换为电压信号，该电压信号经过低通滤波及增益变换后进入误差比较模块与参考信号进行比较，误差比较模块输出为一定增益的反极性的差模信号，该差模信号经过滤波后作为功率MOSFET的栅极驱动信号，控制MOSFET 的导通程度从而控制输出电流大小。同时增益模块的输出信号进入ADC 模块，经过模数转换后进入微控制器，实时监测恒流源输出电流大小。

2.2 多通道采集模块

多通道数据采集模块如图3 所示，包括负载电路阵列、MUX、全差分运算放大器、程控滤波器、8 通道精密ADC、1 通道高速ADC、SoC 控制器、Webserver 等。可编程负载阵列经过MUX 切换到不同信号调理通道。输入信号经过增益可控的差分运放调节适合增益后进入程控源滤波部分选择凌特公司的LTC1594 作为抗混叠滤波器件，滤波器带宽小于fs/2 采样率，能有效抑制杂散的无用频率信号，同时，由于有源滤波器拥有较高的输入阻抗及较低的输出阻抗，使得信号调理部分能更容易地驱动精密ADC。精密ADC 选用ADI 公司的LTC2380 作为模数转换器，该ADC 在30.5 sps 时具有145 dB 的动态范围，满足高精度的使用需求，同时内部具有SINC1 滤波器，在高速采集模式下可以抑制50/60 Hz 供电干扰，进一步保证转换后信号的可靠性。ADC 数据端与FPGA 采用ADum2602 作为隔离期间，该隔离保证可以将数字部分对地的影响降到很低，同时能保证SoC 控制器的安全。

FPGA 经过ADC Driver 逻辑控制ADC 进行转换的同时将数据经过加窗进行FFT 转换，FFT 转换后的频域数据能够进一步分析传感器的噪声频谱。大量的数据经过RAM 缓存后通过AXI-4 等高速总线传输到内部的轻量级Linux 系统中，当客户端链接时，内建的Webserver 能将这些数据显示到客户端界面上。根据交互界面的输入可完成数据保存、图表生成等功能。同时外扩高速串行计算机扩展总线标准（PCIe）接口、网口（Ethernet）等高速数据导入/ 到处接口及调试用的串口（RS232）。

2.3 直流比例误差测试

2.3.1 直接测试法

对于0.05 级及以下采用直接测试法，具体原理如图3 所示，恒流源输出电流经过换向模块穿过电流传感器回到恒流源，被测电流传感器输出经过可编程负载阵列转换为电压信号后经过信号调理电路调整到ADC 满量程输入范围，微控制器控制ADC 将该电信号转换为数值，经过式（1）换算可以直接得到传感器的直流比例误差。

式中， ΔNDC 为被测磁通门电流传感器直流测量比例误差，无量纲； NDC 为被测磁通门电流传感器标称比例，无量纲； I_sDC 为标准直流电流源电流值， A； U_xDC 为ADC 测得的负载电阻上的电压经过修正后的电压值，V； Rx 为负载电阻阻值， Ω 。

2.3.2 比较测试法

对于0.05 级及以上的电流传感器，由于恒流源准确度只有0.01%，直接测试法已不再适用，选择与标准电流传感器做比较可以忽略电流源的影响，具体实现方式如图3 所示。标准电流传感器与被测电流传感器接入同一个一次电流中，二次电流相反方向的接入同一负载电阻，二次电流的差值经转换为电压信号后经过信号调理电路、ADC 转换为具体数值。

其中，误差电流

比例误差

合并式（2）与式（3），可得

由于Is 位于分母，且恒流源得稳定度优于5×10-5/30 min，其误差影响可以忽略，Is 可以用其标称值I 代替。

式中： NS 为标准电流传感器校准后得比例值，无量纲； Is 为精密恒流源输出电流值，在此可以用标称值I 代替， A； UR 为ADC 测得的负载电阻上的电压经过修正后的电压值，V； R 为负载电阻电阻值， Ω 。

2.4 上升时间及电流响应速度

电流传感器的上升时间及电流响应速度采用脉冲恒流源法测试。脉冲恒流源^[12-13]原理框图如图5 所示，脉冲信号选用微控制器产生单脉冲，单脉冲进入射频MOSFET 驱动器U1 ～ Un，型号为DEIC420，DEIC420为高速CMOS 驱动器，能为功率MOSFET 提供峰值电流输20 APeak 的最大驱动能力。同时由米勒效应与楞次定律可知，减小栅极驱动电阻、杂散电容能减小栅极信号的上升时间，因此Rg 选用多只电阻并联，旁路电容选用ESL 小的钽电容。为保证可靠稳定，传输线选用同轴线，连接器选用N 形连接器，测试夹具为定制的工装。负载电阻RL 为短路线，标准脉冲传感器选用为PEARSON 4100 高频电流传感器^[14]，其峰值电流500 A，上升沿10 ns，可以作为脉冲电流源的标准器具在此使用。

2.5 零点偏置

零点偏置为传感器一次测输入为零时，二次侧的输出电流值，电流传感器零点包括电零点、自发磁化及地磁变化等。具体测试框图如图6 所示，传感器供电电源为传感器提供正常工作需要的电能，电流输出型电流传感器再选配合适的负载电阻，精密恒流源输出设置为零，逻辑控制模块控制桥式换向模块中的4 个功率MOSFET开路，此时电流母线内的漏电流为纳安级别，可忽略不计。负载电阻上测得的电压值既是传感器综合零点偏置。

2.6 零点漂移

零点漂移为电流传感器输入为零时输出信号每隔一段时间二次侧输出值偏离原指示值的最大偏差值与满量程的百分比。在保证温湿度几乎不变的前提下，通过长时间记录零点偏置的大小，取这段时间的最大值与最小值的差与时间的比值记为传感器零点漂移。

2.7 线性度

线性度误差为同一校准点上正反行程多次测量的输出信号值的算术平均值与参比直线上相应点的最大值的绝对误差值相对于满量程的百分比值。具体计算公式如下：

式中： δ L 为传感器的线性误差，无量纲； ΔL_max 为传感器多次测量校准曲线与拟合直线间的最大偏差； YFS 为满量程输出值。

3   上位机软件设计

直接测试法的控制流程如图8 所示，导入测试模板后，测试系统根据模板设定测试项目、测试点、负载值及误差限。给传感器供电并加上负载，检测到传感器工作正常后进入测试序列。

如果后续还有测试点，改变电源输出值，读取的传感器输出值与误差限做比较，如果超差则弹出警告、停止恒流源输出并让客户接入是否终止测系序列，如果选择继续测试，则将超差数据标记并进入下一步测试。如果测试过程中无超差，则根据测试序列循环调节电流源输出值并记录数据，完成后复位测试系统并保存测试报告，用户可以根据测试条目从数据库内调取数据行程各类图表。

4   测试数据

4.1 精密恒流源校准数据

精密恒流源校准证书数据如图9 所示，200 A 量程内设定值为100 A 时，标准器正向测得实际值为100.000 6，反向测得实际值为100.002 6，最大相对误差为0.003%，校准不确定度为0.002%；200 A 输出时候标准器正向测得实际值为200.001 0，反向测得实际值为200.004 5，最大相对误差为0.002%，校准不确定度为0.001%，满足10-5 以内电流传感器校准用标准源的技术需求。

图9 精密恒流源校准数据

4.2 标准电流传感器校准数据

标准电流传感器校准数据如下图所示，测量范围为400 A，10% ～ 100% 量程范围内，线性度、比例误差均小于10-6，满足10-5 以内电流传感器校准用标准电流传感器的技术需求。

图10 400 A标准电流传感器校准数据

4.3 HAH系列霍尔电流传感器线性度误差

图10 为HAH 系列电压输出型霍尔电流传感器线性度测试数据，横轴为精密恒流源一次电流5 匝穿入传感器，传感器输出电压经过接入1 MΩ 负载后多次重复测得的数据，线性度最差为0.2%。

图11 线性度测试数据

5   结束语

本测试系统技术指标及功能上满足了电流传感器的自动测试需求，同时极大地提高了电流传感器生产效率，同时测试数据整理保存后可以后续核查，保证所有传感器出厂都合格且有测试数据，极大提高了传感器的可靠性。后续可以配合温湿度控制箱还可以增加传感器温度系数、传感器增益误差随温度变化及零点偏置随温度变化等项目，使得电流传感器自动测试系统功能更完善。

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（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2021年11月期）