CN115267295A - 一种磁通门电流传感器的确定方法及*** - Google Patents

一种磁通门电流传感器的确定方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁通门电流传感器的确定方法及***，涉及传感器设计技术领域，方法包括：获取多组给定的第一磁芯参量；一组第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；根据每组第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；根据每个磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；对每个传变特性模型，计算线性度和探头外径；利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；将最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。本发明在减小探头体积的同时提高了测量的精度。

Description

一种磁通门电流传感器的确定方法及***
技术领域
本发明涉及传感器设计技术领域，特别是涉及一种磁通门电流传感器的确定方法及***。
背景技术
塑壳断路器是工业配电***中重要的低压断路器，是低压电器族群产品的重要类别之一。随着光伏发电行业与直流供配电***的迅猛发展，直流塑壳断路器得到了广泛的应用。智能直流塑壳断路器要求具备功能多样化、体积小型化、结构装配紧凑化以及零配件模块化等性能。直流电流传感器是实现智能直流塑壳断路器电流测量与电能计费的重要设备，直流电流传感器通过模块化与集成化设计，将传感探头于塑壳断路器内部铜排上。智能直流塑壳断路器要求直流电流传感器在体积满足塑壳断路器内部空间约束且量程高于1.2倍断路器额定电流的前提下，精度达到0.2％或0.5％。
直流电流产生恒定磁场，故其不可直接利用法拉第电磁感应定律进行测量。目前，市面上常见的直流电流传感装置有霍尔式、巨磁阻式、磁光式以及磁通门式。其中，霍尔电流传感器精度受限于霍尔芯片线性度，且温漂较大，可靠性较差，不适用于电能测量；巨磁阻电流传感器易受温度与外磁场干扰，精度难以做到1％以下；磁光式电流传感器多用于中高压电网、冶金等场合，产品体积较大且价格昂贵，不利于集成化设计与大批量应用；磁通门电流传感器具有高分辨率、高灵敏度、高精确度以及低温漂等优点，适用于智能直流塑壳断路器集成化电流测量。近年来磁通门电流传感器衍生出一种新型的自激振荡磁通门电流传感装置，电路更简洁，制板更小。自激振荡磁通门利用铁芯线圈本身的磁化曲线非线性、运算放大器以及其他基础电子元件搭建RL桥式多谐振荡器，以此测量直流电流。当待测直流为0A时，运放输出占空比50％的激磁电压波形，在激磁绕组内部产生对称的平均电流为0A的激磁电流波形；待测直流不为0A时，激磁电压占空比不为50％，激磁电流不再对称，平均值不为0A。现有磁通门传感器多用于计量校准，其精度较高但体积过大，在塑壳断路器应用中无法满足集成化要求。
在智能直流塑壳断路器有限的空间内，如何在量程大于1.2倍断路器额定电流且探头体积满足空间约束的前提下，提高磁通门传感器的测量精度，是实现智能塑壳断路器的集成化电流测量需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁通门电流传感器的确定方法及***，在减小探头体积的同时提高了测量的精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种磁通门电流传感器的确定方法，所述方法包括：
获取多组给定的第一磁芯参量；一组所述第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；所述第一磁芯参量包括磁芯的磁场强度和磁感应强度；所述磁芯为所述磁通门电流传感器中的磁芯；
根据每组所述第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；所述磁化曲线为非线性磁滞反正切拟合磁化曲线；
根据每个所述磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；所述初始电路拓扑为开环的自激振荡磁通门传感电路拓扑；
对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算所述传变特性模型的线性度；所述第一传感参量包括所述磁通门电流传感器的量程和匝数比；所述匝数比为所述磁通门电流传感器的待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比；
对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个所述传变特性模型的探头外径；所述第二传感参量包括所述磁芯的第二磁芯参量和所述磁通门电流传感器的激磁电流绕组线圈的直径，所述第二磁芯参量包括磁芯的外径和磁芯的内径；
利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；所述最优传变特性模型为所有传变特性模型中线性度和探头外径均为最小时的传变特性模型；所述预设约束条件根据目标磁通门电流传感器所在的断路器的参数设置，所述参数包括：额定工作电流、铜排穿心直径和铜排间距；
将所述最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给所述初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；所述最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。
可选地，所述磁化曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003777424420000031
其中，B表示磁芯的磁感应强度，H表示磁芯的磁场强度，a和b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，Hc表示磁芯的矫顽力，t表示时间，TP表示磁化曲线中电流上升时间，TN表示磁化曲线中电流下降时间。
可选地，所述根据每个所述磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型，具体包括：
根据所述磁芯的矫顽力、激磁电流绕组匝数、所述匝数比、磁化曲线中电流上升时间、磁化曲线中电流下降时间、激磁电流的最大值、激磁电流的幅值、激磁电压的幅值和待测直流电流，得到激磁电压函数；
根据所述激磁电压函数和给定的第一拓扑参数构建传变特性模型；所述第一拓扑参数包括所述初始电路拓扑中的激磁电流的取样电阻和激磁绕组的自身电阻。
可选地，所述对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算所述传变特性模型的线性度，具体包括：
获取所述第一传感参量；
将量程内的连续待测直流电流值离散为多个离散电流值；
将每个离散电流值输入至所述传变特性模型中，得到每个离散电流值对应的激磁电流值；
根据所有离散电流值和所有激磁电流值进行拟合，得到期望曲线的斜率和截距；
根据所述量程的最大值、所述离散电流值、所述激磁电流值、所述斜率和截距，计算所述传变特性模型的线性度。
可选地，所述对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个所述传变特性模型的探头外径，具体包括：
获取第二传感参量；
根据所述第二传感参量计算当前绕制匝数所在层的绕组参数；所述绕组参数包括：绕组外径和绕组内径；
根据所述当前绕制匝数所在层的绕组参数计算当前绕制匝数所在层的最大绕制匝数；
判断当前绕制匝数是否大于预设目标激磁绕组匝数，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则绕制完成，将所述当前绕制匝数所在层的绕组外径确定为所述传变特性模型的探头外径；
若所述第一判断结果为否，则绕制未完成，判断匝数差是否大于所述当前绕制匝数所在层的最大绕制匝数，得到第二判断结果；所述匝数差为当前绕制匝数与当前绕制匝数所在层的上一层的绕制总匝数的差；
若所述第二判断结果为是，则当前绕制匝数所在层绕制完成，进行下一层绕制，并返回步骤“根据所述第二传感参量计算当前绕制匝数所在层的绕组参数”；
若所述第二判断结果为否,则绕制下一匝，并返回步骤“判断当前绕制匝数是否大于预设目标激磁绕组匝数，得到第一判断结果”。
可选地，所述利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型，具体包括：
在所有传变特性模型中筛选满足所述预设约束条件的传变特性模型，得到多个目标模型；
利用多目标遗传算法，对多个目标模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型。
一种磁通门电流传感器的确定***，包括：
第一磁芯参量获取模块，用于获取多组给定的第一磁芯参量；一组所述第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；所述第一磁芯参量包括磁芯的磁场强度和磁感应强度；所述磁芯为所述磁通门电流传感器中的磁芯；
磁化曲线确定模块，用于根据每组所述第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；所述磁化曲线为非线性磁滞反正切拟合磁化曲线；
传变特性模型构建模块，用于根据每个所述磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；所述初始电路拓扑为开环的自激振荡磁通门传感电路拓扑；
线性度计算模块，用于对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算所述传变特性模型的线性度；所述第一传感参量包括所述磁通门电流传感器的量程和匝数比；所述匝数比为所述磁通门电流传感器的待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比；
探头外径计算模块，用于对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个所述传变特性模型的探头外径；所述第二传感参量包括所述磁芯的第二磁芯参量和所述磁通门电流传感器的激磁电流绕组线圈的直径，所述第二磁芯参量包括磁芯的外径和磁芯的内径；
最优传变特性模型获取模块，用于利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；所述最优传变特性模型为所有传变特性模型中线性度和探头外径均为最小时的传变特性模型；所述预设约束条件根据目标磁通门电流传感器所在的断路器的参数设置，所述参数包括：额定工作电流、铜排穿心直径和铜排间距；
最优拓扑电路确定模块，用于将所述最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给所述初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；所述最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。
可选地，所述磁化曲线确定模块中的磁化曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003777424420000061
其中，B表示磁芯的磁感应强度，H表示磁芯的磁场强度，a和b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，Hc表示磁芯的矫顽力，t表示时间，TP表示磁化曲线中电流上升时间，TN表示磁化曲线中电流下降时间。
可选地，所述传变特性模型构建模块，具体包括：
激磁电压函数确定单元，用于根据所述磁芯的矫顽力、激磁电流绕组匝数、所述匝数比、磁化曲线中电流上升时间、磁化曲线中电流下降时间、激磁电流的最大值、激磁电流的幅值、激磁电压的幅值和待测直流电流，得到激磁电压函数；
传变特性模型构建单元，用于根据所述激磁电压函数和给定的第一拓扑参数构建传变特性模型；所述第一拓扑参数包括所述初始电路拓扑中的激磁电流的取样电阻和激磁绕组的自身电阻。
可选地，所述线性度计算模块，具体包括：
第一传感参量获取单元，用于获取所述量程和所述匝数比；
离散电流值确定单元，用于将量程内的连续待测直流电流值离散为多个离散电流值；
激磁电流值确定单元，用于将每个离散电流值输入至所述传变特性模型中，得到每个离散电流值对应的激磁电流值；
斜率和截距确定单元，用于根据所有离散电流值和所有激磁电流值进行拟合，得到期望曲线的斜率和截距；
线性度计算单元，用于根据所述量程的最大值、所述离散电流值、所述激磁电流值、所述斜率和截距，计算所述传变特性模型的线性度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种磁通门电流传感器的确定方法及***，方法包括：获取多组给定的第一磁芯参量；一组第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；根据每组第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；根据每个磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；对于任意一个传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算传变特性模型的线性度；对于任意一个传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个传变特性模型的探头外径；利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；将最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。本发明中的线性度用于衡量传感器精度目标，探头外径用于衡量传感器体积目标，在满足约束条件的前提下实现了传感器探头体积与精度的双目标优化，在减小探头体积的同时提高了测量的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的磁通门电流传感器的确定方法流程图；
图2为本发明实施例提供的初始电路拓扑图；
图3为本发明实施例提供的目标磁通门电流传感器电路图；
图4为本发明实施例提供的磁化曲线图；
图5为本发明实施例提供的线性度计算流程图；
图6为本发明实施例提供的探头外径计算流程图；
图7为本发明实施例提供的多目标遗传算法优化流程图；
图8为本发明实施例提供的磁通门电流传感器的确定***框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种磁通门电流传感器的确定方法及***，旨在减小探头体积的同时提高测量的精度，可应用于传感器设计技术领域。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的磁通门电流传感器的确定方法流程图。如图1所示，本实施例中的磁通门电流传感器的确定方法，包括：
步骤101：获取多组给定的第一磁芯参量；一组第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；第一磁芯参量包括磁芯的磁场强度和磁感应强度；磁芯为磁通门电流传感器中的磁芯。
步骤102：根据每组第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；磁化曲线为非线性磁滞反正切拟合磁化曲线。
步骤103：根据每个磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；初始电路拓扑为开环的自激振荡磁通门传感电路拓扑。
具体的，如图2所示，初始电路拓扑为现有的开环的自激振荡磁通门传感电路拓扑。其中，图中磁芯C和绕组W共同构成磁通门电流传感器的探头；Id为待测直流电流；iex为由激磁电压vex所引发的激磁电流；V+和V-分别为同向输入电压和反向输入电压；Rs为激磁电流的采样电阻；Rc为绕组本身电阻，由漆包线磁导率与长度决定；R1和R2用以设定比较器的V+，即翻转电压比，也可以设定iex的最大值。
步骤104：对于任意一个传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算传变特性模型的线性度；第一传感参量包括磁通门电流传感器的量程和匝数比；匝数比为磁通门电流传感器的待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比。
步骤105：对于任意一个传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个传变特性模型的探头外径；第二传感参量包括磁芯的第二磁芯参量和磁通门电流传感器的激磁电流绕组线圈的直径，第二磁芯参量包括磁芯的外径和磁芯的内径。
步骤106：利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；最优传变特性模型为所有传变特性模型中线性度和探头外径均为最小时的传变特性模型；预设约束条件根据目标磁通门电流传感器所在的断路器的参数设置，参数包括：额定工作电流、铜排穿心直径和铜排间距。
具体的，根据目标磁通门电流传感器所在的断路器的额定工作电流、铜排穿心直径和铜排间距、绕组发热问题以及电路原理可行性的问题构建关键电磁参数的约束条件，使得优化后的电磁参数可以满足设备正常运转需要；具体过程为，分别根据实际工况与客观条件进行参数上下限设定，再根据原理设定约束条件，在一个实施例中对良信630A断路器用传感器电磁参数做预设约束条件如下：
(1)磁芯探头外径不超过58mm，内径满足20mm。
(2)采样电阻Rs阻值取10mΩ至10Ω，最小单位取1mΩ；翻转电压比R1/(R1+R2)取0至1，R1和R2最小阻值取1kΩ最小单位取0.1kΩ。
(3)激磁电压幅值VH最大电压取常见运放轨道电压15V，最小电压可由限幅电路控制，取2.5V。
(4)开环***必须保证电路可实现自激振荡：
Figure BDA0003777424420000091
(5)开环***运行过程中需保持双向饱和特性，满足：
Figure BDA0003777424420000092
其中，a和b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，Bs表示饱和磁感应强度，Nex表示激磁电流绕组匝数，Im表示激磁电流的最大值，IRange表示磁通门电流传感器的量程，lc表示有效磁链长度，Hc表示磁芯的矫顽力。
(6)放大器参数满足功率约束
Figure BDA0003777424420000093
与压摆率约束
Figure BDA0003777424420000094
其中，VH表示激磁电压的幅值，TP表示磁化曲线中电流上升时间，TN表示磁化曲线中电流下降时间，PN表示放大器的额定功率，SR表示放大器的压摆率。
步骤107：将最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。
具体的，以优化后的电磁参数(第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量)设计下的初始电路拓扑作为直流零磁通检测装置，辅以现有的反向电路、平衡校正电路、信号调理电路以及反馈电路，构建完整的闭环自激振荡磁通门电流传感***，即为目标磁通门电流传感器。优化后的电磁参数实现了体积小型化，搭设闭环***可以实现探头外径不变前提下精度与量程的进一步提升，而闭环***的精度一定程度上取决于直流零磁通检测装置的精度，即开环***精度。
如图3所示，具体结构为：闭环传感***包含三个磁芯与四个绕组(不包括待测直流电流绕组，匝数记为Nd，一般为单根穿心导线)。其中自激振荡绕组W1(匝数记为N1)，反向绕组W2(匝数记为N2)与交流绕组W3(匝数记为N3)分别缠绕于单个磁环C1、C2、C3上，彼此之间并无直接的磁耦合关系。反馈绕组W4(匝数记为N4)与待测直流电流绕组同时缠绕于三个磁环上，同其余三个绕组W1、W2与W3均存在磁耦合关系。同时自激振荡绕组W1与运算放大器A、振荡电流采样电阻Rs1、翻转电压设置电阻R1和R2构成自激振荡电路；反向绕组W2同反向器和反向电流采样电阻Rs2一同构成反向电路；不平衡绕组W3自身即为不平衡矫正电路；加法器同高通滤波器(High-pass Fliter，HPF)与低通滤波器(Low-pass Fliter，LPF)构成信号调理电路；最后由反馈绕组W4同PI积分器、功率放大器以及反馈电流采样电阻Rs构成积分反馈电路。
作为一种可选的实施方式，磁化曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003777424420000101
其中，B表示磁芯的磁感应强度，H表示磁芯的磁场强度，a和b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，Hc表示磁芯的矫顽力，t表示时间，TP表示磁化曲线中电流上升时间，TN表示磁化曲线中电流下降时间。
具体的，在一个实施例中根据厂家提供或试验得到的磁场强度H与磁感应强度B数据对1K107的铁基纳米晶磁芯材料进行了磁化曲线拟合，得到如图4所示的磁化曲线。
作为一种可选的实施方式，步骤103，具体包括：
根据磁芯的矫顽力、激磁电流绕组匝数、匝数比、磁化曲线中电流上升时间、磁化曲线中电流下降时间、激磁电流的最大值、激磁电流的幅值、激磁电压的幅值和待测直流电流，得到激磁电压函数。
根据激磁电压函数和给定的第一拓扑参数构建传变特性模型；第一拓扑参数包括初始电路拓扑中的激磁电流的取样电阻取样电阻和激磁绕组的自身电阻。
具体的，利用磁化曲线即可根据下面电感公式求得绕组W的动态电感值L：
Figure BDA0003777424420000111
其中，L表示绕组W的动态电感值，ψ表示磁芯的磁链，iex表示激磁电流，t表示时间，Nex表示激磁电流绕组匝数，S表示磁芯的截面积，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，lc表示有效磁路长度，b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，n表示待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比，Id表示待测直流电流；
根据电感公式建立单周期微分方程组：
Figure BDA0003777424420000112
其中，Rs表示激磁电流的取样电阻，Rc表示传变模型的绕组的电阻，vex表示激磁电压；
根据磁化曲线和初始电路拓扑，得到自激振荡磁通门传感电路拓扑构建开环***的传变特性模型：
Figure BDA0003777424420000113
其中，Iex表示激磁电流的平均值，Vex表示激磁电压的平均值；Rs表示激磁电流的取样电阻，Rc表示传变模型的绕组的电阻；
Figure BDA0003777424420000121
其中，VH表示激磁电压的幅值。
Figure BDA0003777424420000122
其中，C、D、
Figure BDA0003777424420000123
和
Figure BDA0003777424420000124
均为简化参数，无意义，IH表示激磁电流的幅值，Im表示激磁电流的最大值，
Figure BDA0003777424420000125
表示工作在0～TP时间段内的偏磁电流与磁芯的矫顽力之和，
Figure BDA0003777424420000126
表示工作在TP～TP+TN时间段内的偏磁电流与磁芯的矫顽力之和，
Figure BDA0003777424420000127
Figure BDA0003777424420000128
n表示待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比，Id表示待测直流电流，Hc表示磁芯的矫顽力，Nex表示激磁电流绕组匝数；
Figure BDA0003777424420000129
Figure BDA00037774244200001210
Figure BDA00037774244200001211
作为一种可选的实施方式，步骤104，具体包括：
获取第一传感参量。
将量程内的连续待测直流电流值离散为多个离散电流值。
将每个离散电流值输入至传变特性模型中，得到每个离散电流值对应的激磁电流值。
根据所有离散电流值和所有激磁电流值进行拟合，得到期望曲线的斜率和截距。
根据量程的最大值、离散电流值、激磁电流值、斜率和截距，计算传变特性模型的线性度。
具体的，如图5所示，具体过程为，将实际传感器的全量程连续待测直流电流值离散为m个数据点，再利用传变特性模型求取全量程下每个待测电流点对应的平均激磁电流值，构成完整的输入输出数据集(输入的待测电流与输出的激磁电流平均值)，进而利用
Figure BDA0003777424420000131
求取理想直线(期望直线)的斜率，利用
Figure BDA0003777424420000132
求取理想直线截距，再根据
Figure BDA0003777424420000133
的线性度σ。
其中，k表示理想直线的斜率，Id_i表示第i个离散电流值，
Figure BDA0003777424420000134
表所有离散电流值的平均值，n表示待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比，
Figure BDA0003777424420000135
表示所有激磁电流与匝比乘积的平均值，b表示理想曲线的截距，σ表示线性度，Iex_i表示第i个离散电流值的激磁电流值，IRange表示磁通门电流传感器的量程。
作为一种可选的实施方式，步骤105，具体包括：
获取第二传感参量。
根据第二传感参量计算当前绕制匝数所在层的绕组参数；绕组参数包括：绕组外径和绕组内径。
根据当前绕制匝数所在层的绕组参数计算当前绕制匝数所在层的最大绕制匝数。
判断当前绕制匝数是否大于预设目标激磁绕组匝数，得到第一判断结果。
若第一判断结果为是，则绕制完成，将当前绕制匝数所在层的绕组外径确定为传变特性模型的探头外径。
若第一判断结果为否，则绕制未完成，判断匝数差是否大于当前绕制匝数所在层的最大绕制匝数，得到第二判断结果；匝数差为当前绕制匝数与当前绕制匝数所在层的上一层的绕制总匝数的差。
若第二判断结果为是，则当前绕制匝数所在层绕制完成，进行下一层绕制，并返回步骤“根据第二传感参量计算当前绕制匝数所在层的绕组参数”。
若第二判断结果为否,则绕制下一匝，并返回步骤“判断当前绕制匝数是否大于预设目标激磁绕组匝数，得到第一判断结果”。
具体的，如图6所示，利用工程试验法进行多批次磁环绕制试验求取磁芯探头的体积模型，模型关键电磁参数包含有效磁路长度、磁芯截面积、激磁绕组匝数、激磁电压幅值、翻转电压比值以及采样电阻阻值；其中，ni表示匝数差。
进行磁环绕制时，由于层与层、匝与匝之间不能完全紧密绕制，且由于绕组呈螺线管状，故单匝绕组长度总是长于磁芯周长，故需选定不同尺寸的磁环与不同匝数的绕组，测量经绕线机绕制后的尺寸参数，进而确定层与层之间的空间裕量α、匝与匝之间的空间裕量β以及每匝的长度裕量γ三个工程裕量参数，使得磁芯体积目标更贴合实际生产。
在一个实施例中对TT-H04P绕线机所绕制的磁环进行测量并确定裕度α为1.62，β为1.3，γ为1.26。
作为一种可选的实施方式，步骤106，具体包括：
在所有传变特性模型中筛选满足预设约束条件的传变特性模型，得到多个目标模型。
利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型。
具体的，利用上文提及的线性度、探头外径与预设约束条件，带入多目标遗传优化算法中，优化流程如图7所示。算法首先给定一簇数据集，数据集分为特征变量与目标值，特征变量即为前文所涉及的各类电磁参数，目标值即为传感器线性度和体积，可由特征变量根据前一步骤模型求解。通过有放回的抽取两个数据集，比较二者目标值大小，目标值较小的定义为优秀数据集(二者均较小的为优秀数据集，若不满足则全部放回)，选取出的一定量的优秀数据集，进行数据交叉与随机变换获取新的一簇数据集，重复迭代至迭代次数上限或变化较小即为寻得最优。
图8为本发明实施例提供的磁通门电流传感器的确定***框图。如图8所示，磁通门电流传感器的确定***，包括：
第一磁芯参量获取模块201，用于获取多组给定的第一磁芯参量；一组第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；第一磁芯参量包括磁芯的磁场强度和磁感应强度；磁芯为磁通门电流传感器中的磁芯。
磁化曲线确定模块202，用于根据每组第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；磁化曲线为非线性磁滞反正切拟合磁化曲线。
传变特性模型构建模块203，用于根据每个磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；初始电路拓扑为开环的自激振荡磁通门传感电路拓扑。
线性度计算模块204，用于对于任意一个传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算传变特性模型的线性度；第一传感参量包括磁通门电流传感器的量程和匝数比；匝数比为磁通门电流传感器的待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比。
探头外径计算模块205，用于对于任意一个传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个传变特性模型的探头外径；第二传感参量包括磁芯的第二磁芯参量和磁通门电流传感器的激磁电流绕组线圈的直径，第二磁芯参量包括磁芯的外径和磁芯的内径。
最优传变特性模型获取模块206，用于利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；最优传变特性模型为所有传变特性模型中线性度和探头外径均为最小时的传变特性模型；预设约束条件根据目标磁通门电流传感器所在的断路器的参数设置，参数包括：额定工作电流、铜排穿心直径和铜排间距。
最优拓扑电路确定模块207，用于将最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。
作为一种可选的实施方式，磁化曲线确定模块中的磁化曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003777424420000151
其中，B表示磁芯的磁感应强度，H表示磁芯的磁场强度，a和b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，Hc表示磁芯的矫顽力，t表示时间，TP表示磁化曲线中电流上升时间，TN表示磁化曲线中电流下降时间。
作为一种可选的实施方式，传变特性模型构建模块203，具体包括：
激磁电压函数确定单元，用于根据磁芯的矫顽力、激磁电流绕组匝数、匝数比、磁化曲线中电流上升时间、磁化曲线中电流下降时间、激磁电流的最大值、激磁电流的幅值、激磁电压的幅值和待测直流电流，得到激磁电压函数。
传变特性模型构建单元，用于根据激磁电压函数和给定的第一拓扑参数构建传变特性模型；第一拓扑参数包括初始电路拓扑中的激磁电流的取样电阻和激磁绕组的自身电阻。
作为一种可选的实施方式，线性度计算模块204，具体包括：
第一传感参量获取单元，用于获取量程和匝数比。
离散电流值确定单元，用于将量程内的连续待测直流电流值离散为多个离散电流值。
激磁电流值确定单元，用于将每个离散电流值输入至传变特性模型中，得到每个离散电流值对应的激磁电流值。
斜率和截距确定单元，用于根据所有离散电流值和所有激磁电流值进行拟合，得到期望曲线的斜率和截距。
线性度计算单元，用于根据量程的最大值、离散电流值、激磁电流值、斜率和截距，计算传变特性模型的线性度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种磁通门电流传感器的确定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取多组给定的第一磁芯参量；一组所述第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；所述第一磁芯参量包括磁芯的磁场强度和磁感应强度；所述磁芯为所述磁通门电流传感器中的磁芯；
根据每组所述第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；所述磁化曲线为非线性磁滞反正切拟合磁化曲线；
根据每个所述磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；所述初始电路拓扑为开环的自激振荡磁通门传感电路拓扑；
对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算所述传变特性模型的线性度；所述第一传感参量包括所述磁通门电流传感器的量程和匝数比；所述匝数比为所述磁通门电流传感器的待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比；
对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个所述传变特性模型的探头外径；所述第二传感参量包括所述磁芯的第二磁芯参量和所述磁通门电流传感器的激磁电流绕组线圈的直径，所述第二磁芯参量包括磁芯的外径和磁芯的内径；
利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；所述最优传变特性模型为所有传变特性模型中线性度和探头外径均为最小时的传变特性模型；所述预设约束条件根据目标磁通门电流传感器所在的断路器的参数设置，所述参数包括：额定工作电流、铜排穿心直径和铜排间距；
将所述最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给所述初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；所述最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。
2.根据权利要求1所述的磁通门电流传感器的确定方法，其特征在于，所述磁化曲线的数学表达式为：
Figure FDA0003777424410000011
其中，B表示磁芯的磁感应强度，H表示磁芯的磁场强度，a和b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，Hc表示磁芯的矫顽力，t表示时间，TP表示磁化曲线中电流上升时间，TN表示磁化曲线中电流下降时间。
3.根据权利要求2所述的磁通门电流传感器的确定方法，其特征在于，所述根据每个所述磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型，具体包括：
根据所述磁芯的矫顽力、激磁电流绕组匝数、所述匝数比、磁化曲线中电流上升时间、磁化曲线中电流下降时间、激磁电流的最大值、激磁电流的幅值、激磁电压的幅值和待测直流电流，得到激磁电压函数；
根据所述激磁电压函数和给定的第一拓扑参数构建传变特性模型；所述第一拓扑参数包括所述初始电路拓扑中的激磁电流的取样电阻和激磁绕组的自身电阻。
4.根据权利要求1所述的磁通门电流传感器的确定方法，其特征在于，所述对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算所述传变特性模型的线性度，具体包括：
获取所述第一传感参量；
将量程内的连续待测直流电流值离散为多个离散电流值；
将每个离散电流值输入至所述传变特性模型中，得到每个离散电流值对应的激磁电流值；
根据所有离散电流值和所有激磁电流值进行拟合，得到期望曲线的斜率和截距；
根据所述量程的最大值、所述离散电流值、所述激磁电流值、所述斜率和所述截距，计算所述传变特性模型的线性度。
5.根据权利要求1所述的磁通门电流传感器的确定方法，其特征在于，所述对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个所述传变特性模型的探头外径，具体包括：
获取所述第二传感参量；
根据所述第二传感参量计算当前绕制匝数所在层的绕组参数；所述绕组参数包括：绕组外径和绕组内径；
根据所述当前绕制匝数所在层的绕组参数计算当前绕制匝数所在层的最大绕制匝数；
判断当前绕制匝数是否大于预设目标激磁绕组匝数，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则绕制完成，将所述当前绕制匝数所在层的绕组外径确定为所述传变特性模型的探头外径；
若所述第一判断结果为否，则绕制未完成，判断匝数差是否大于所述当前绕制匝数所在层的最大绕制匝数，得到第二判断结果；所述匝数差为当前绕制匝数与当前绕制匝数所在层的上一层的绕制总匝数的差；
若所述第二判断结果为是，则当前绕制匝数所在层绕制完成，进行下一层绕制，并返回步骤“根据所述第二传感参量计算当前绕制匝数所在层的绕组参数”；
若所述第二判断结果为否,则绕制下一匝，并返回步骤“判断当前绕制匝数是否大于预设目标激磁绕组匝数，得到第一判断结果”。
6.根据权利要求1所述的磁通门电流传感器的确定方法，其特征在于，所述利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型，具体包括：
在所有传变特性模型中筛选满足所述预设约束条件的传变特性模型，得到多个目标模型；
利用多目标遗传算法，对多个目标模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型。
7.一种磁通门电流传感器的确定***，其特征在于，包括：
第一磁芯参量获取模块，用于获取多组给定的第一磁芯参量；一组所述第一磁芯参量对应一个磁通门电流传感器；所述第一磁芯参量包括磁芯的磁场强度和磁感应强度；所述磁芯为所述磁通门电流传感器中的磁芯；
磁化曲线确定模块，用于根据每组所述第一磁芯参量确定一个磁化曲线，得到多个磁化曲线；所述磁化曲线为非线性磁滞反正切拟合磁化曲线；
传变特性模型构建模块，用于根据每个所述磁化曲线和初始电路拓扑构建传变特性模型，得到多个传变特性模型；所述初始电路拓扑为开环的自激振荡磁通门传感电路拓扑；
线性度计算模块，用于对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第一传感参量计算所述传变特性模型的线性度；所述第一传感参量包括所述磁通门电流传感器的量程和匝数比；所述匝数比为所述磁通门电流传感器的待测直流电流绕组匝数与激磁电流绕组匝数之比；
探头外径计算模块，用于对于任意一个所述传变特性模型，根据给定的第二传感参量计算每个所述传变特性模型的探头外径；所述第二传感参量包括所述磁芯的第二磁芯参量和所述磁通门电流传感器的激磁电流绕组线圈的直径，所述第二磁芯参量包括磁芯的外径和磁芯的内径；
最优传变特性模型获取模块，用于利用预设约束条件和多目标遗传算法，对所有传变特性模型的线性度和探头外径进行优化，得到最优传变特性模型；所述最优传变特性模型为所有传变特性模型中线性度和探头外径均为最小时的传变特性模型；所述预设约束条件根据目标磁通门电流传感器所在的断路器的参数设置，所述参数包括：额定工作电流、铜排穿心直径和铜排间距；
最优拓扑电路确定模块，用于将所述最优传变特性模型对应的第一磁芯参量、第一传感参量、第二传感参量赋给所述初始电路拓扑，得到最优拓扑电路；所述最优拓扑电路用于构建目标磁通门电流传感器。
8.根据权利要求7所述的磁通门电流传感器的确定***，其特征在于，所述磁化曲线确定模块中的磁化曲线的数学表达式为：
Figure FDA0003777424410000041
其中，B表示磁芯的磁感应强度，H表示磁芯的磁场强度，a和b是简化参数，a＝2Bs/π，b＝πμ0μm/2Bs，μ0表示磁芯的真空磁导率，μm表示磁芯的最大磁导率，Hc表示磁芯的矫顽力，t表示时间，TP表示磁化曲线中电流上升时间，TN表示磁化曲线中电流下降时间。
9.根据权利要求8所述的磁通门电流传感器的确定***，其特征在于，所述传变特性模型构建模块，具体包括：
激磁电压函数确定单元，用于根据所述磁芯的矫顽力、激磁电流绕组匝数、所述匝数比、磁化曲线中电流上升时间、磁化曲线中电流下降时间、激磁电流的最大值、激磁电流的幅值、激磁电压的幅值和待测直流电流，得到激磁电压函数；
传变特性模型构建单元，用于根据所述激磁电压函数和给定的第一拓扑参数构建传变特性模型；所述第一拓扑参数包括所述初始电路拓扑中的激磁电流的取样电阻和激磁绕组的自身电阻。
10.根据权利要求7所述的磁通门电流传感器的确定***，其特征在于，所述线性度计算模块，具体包括：
第一传感参量获取单元，用于获取所述量程和所述匝数比；
离散电流值确定单元，用于将量程内的连续待测直流电流值离散为多个离散电流值；
激磁电流值确定单元，用于将每个离散电流值输入至所述传变特性模型中，得到每个离散电流值对应的激磁电流值；
斜率和截距确定单元，用于根据所有离散电流值和所有激磁电流值进行拟合，得到期望曲线的斜率和截距；
线性度计算单元，用于根据所述量程的最大值、所述离散电流值、所述激磁电流值、所述斜率和截距，计算所述传变特性模型的线性度。
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