自動檢測系統(tǒng)中的電流測量技術(shù)

劉淑芝　空軍工程大學工程學院



　　摘　要：根據(jù)自動檢測系統(tǒng)中電流測量技術(shù)極少被采用的現(xiàn)狀，提出利用電流產(chǎn)生的磁場進行電流測量的概念，詳細闡述了一種基于電子束在被測電流生成的磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理進行測量的非侵入式電流傳感器，并討論了這種電流測量技術(shù)所面臨的問題，提出了相應(yīng)的解決方案。最后提出有關(guān)電流數(shù)據(jù)和其他相關(guān)信號的分析方法以及電流測量的意義。


關(guān)鍵詞：電流測量；電子束偏轉(zhuǎn)；磁場；電流傳感器


1　引　言


　　自動檢測系統(tǒng)中通常應(yīng)用電壓測量來判定電路故障。實際工作中，很少使用電流量進行檢測。主要是由于電流檢測遇到2個難以解決的問題：一是缺少有效的非侵入式電流傳感器；一是介入電流支路中進行測量是比較困難的。傳統(tǒng)的電流測量是通過電壓傳感器測量接入支路中的分路電阻的兩端的壓降，由于需要接入分路電阻，致使測試過程非常不方便，難以實現(xiàn)自動化。一些儀器應(yīng)用了一些新技術(shù)，如在VXI／PXI儀器中加入了內(nèi)置式電流傳感器，這類電流傳感器可由軟件控制進行穩(wěn)態(tài)測量。但這些傳感器不能測量高頻采樣信號，因而無法捕獲高速暫態(tài)信號。為了獲得電流數(shù)據(jù)，需要有無需介入電路的非侵入式傳感器，另外，也需要有分析電流數(shù)據(jù)和其他相關(guān)測量信號的軟件系統(tǒng)。


2　電流傳感器


電流傳感器有霍爾效應(yīng)式、磁致電阻式、電阻式 等。本文介紹的電流傳感器，運用的原理是測量脈沖電子束在由電流產(chǎn)生的磁場中的偏轉(zhuǎn)量。由于電子質(zhì)量非常小，相應(yīng)使移動的電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)所需的力相對也較小，這使得通過電子束的偏轉(zhuǎn)測量小磁場在理論上成為可行。


　　應(yīng)用磁場使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)在技術(shù)上非常普遍，被廣泛應(yīng)用在電視和計算機的陰極射線管式顯示器上。電子束偏轉(zhuǎn)的概念自身并非一種創(chuàng)新，只是未在磁場測量領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是在由電流產(chǎn)生的磁場中應(yīng)用。另外，通常產(chǎn)生電子束、控制電子束偏轉(zhuǎn)要求有高電壓、大電流。而高電壓、大電流自身產(chǎn)生相當大的磁場和靜態(tài)電場。因而運用電子束對磁場進行測量的第一個技術(shù)上的挑戰(zhàn)是如何運用較小的電壓和電流產(chǎn)生電子束。


　　傳感器系統(tǒng)測量由一個低壓光電裝置產(chǎn)生的脈沖電子束的偏轉(zhuǎn)量。


　　電流傳感器由電子束發(fā)生元件、電子束收集元件及電子束偏轉(zhuǎn)測量元件組成，如圖1所示。電子束發(fā)生元件包括一個發(fā)光二極管，通常規(guī)格為2 V，50 mA，120光能。光學透鏡用于將光電二極管產(chǎn)生的光線聚焦到陰極射線管上，起到增強單位面積上光強的作用。陰極射線管一側(cè)受到發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線的照射，在另一側(cè)發(fā)射電子束。電極環(huán)防止電子束向四周逸散，將之限制成緊密的一束，這是維持測量精確性的強制性要求。電子束收集元件包括真空腔，在真空腔的內(nèi)壁上保持有微量的負電勢，以防止電子束被腔壁吸引。非絕緣式線性電荷耦合裝置腔，用于測量電子束撞擊傳感器用于感應(yīng)的末端的強度和感應(yīng)點。電荷耦合裝置CCDs用于測量光子強度，而CCDs被指定為非絕緣的可用于收集電子。收集一個光子的能量大約為2．14 V，因此電勢差高于2．14 V的電子束脈沖有足夠的能量以激發(fā)一個典型的CCDs。CCDs自身的電勢保持在零電位左右，電勢的些許變化有有利的一面也有不利的一面，可以通過實驗的方法獲得不引起對電子束產(chǎn)生排斥或是吸引的最佳電勢。CCDs的頂端在初始時帶有微量的正電勢以對電子束產(chǎn)生吸引對之加速。







　　電流測量：磁場中正電粒子的受力方向可以由“右手定則”來判斷，相應(yīng)的公式為：


FB＝qv×B


　　由于電流增加或是更接近被測電流，將會導致磁場強度增加，相應(yīng)電子束偏轉(zhuǎn)量就會增加。由于電子束偏轉(zhuǎn)量增加，被CCDs收集的電子將落在遠離傳感器頂點的位置。在其他參數(shù)確定的情況下，電流的值即可由傳感器吸收電子束的位置進行確定。對同一測試點進行連續(xù)測量，即可得到電流的動態(tài)值（暫態(tài)信號），對電流的暫態(tài)信號進行分析，可以獲得許多非常有價值的新信息，如復(fù)數(shù)域的阻抗等。


3　測量技術(shù)


　　非侵入式電流傳感器進行電流測量需要解決的幾個技術(shù)上的問題：


（1）傳感器與被測電流載體之間距離對測量結(jié)果的影響


　　磁場的強度與產(chǎn)生磁場的電流與傳感器之間的距離成反比。而這個距離通常是未知且不可測量的，磁感應(yīng)式傳感器與被測電流載體（導線、印刷電路板布線、輸出端）之間的相對位置對測量值有很大的影響。為了減少這種影響，在測量過程包括測量步驟和軟件工具兩方面進行了嘗試。例如，用戶必須“掃描”電流流經(jīng)的電流載體，用軟件捕獲其最大值。理想情況下，傳感器與被測對象之間的距離應(yīng)為0。而在許多實際情況下，被測對象是包裹在絕緣體之中。嘗試的結(jié)果是測量過程不能消除只能降低這種影響。但是這里有一個參數(shù)并不受到距離的影響，這就是測得的暫態(tài)信號的“形狀”，暫態(tài)信號的“形態(tài)”包含了一些信息，如阻尼速率（幅值衰減的速率）、自然頻率（晶體的頻率）。另一種思路是根據(jù)這一距離雖不可測但可控的特點，可以在一確定的位置建立一個無故障電路的電流信息圖像模板，通過檢測待測電路與已知模板的差值以確定電路的工作狀態(tài)。


（2）磁干擾


　　當測量由被測電流產(chǎn)生的磁場時，傳感器同時也測量到一些干擾磁信號，如地磁，由其他鄰近電流產(chǎn)生的磁場。這些干擾磁場必須與實際想得到的測量相隔離，在最初的研究中對磁場干擾的補償做了一些鑒定，這些技術(shù)包括測量步驟和在遠離被測電流載體處放置二級傳感器以測量地磁和其他干擾磁場，或?qū)⒉煌�的傳感器配合使用以消除共同的干擾。


　　多點測試的平均法　某一電流載體所形成的磁場可能與與此電流載體相近的電流載體所形成的磁場相互重迭，利用多點測試技術(shù)分離電流載體形成的磁場，這一技術(shù)同樣適用于降低噪聲干擾。


　　可利用這種方法進行測量的硬件是在同一物理結(jié)構(gòu)中的一組電流載體，如電路板上的一組連線，或在電纜中被集約成一體的導線、電纜底座等。如測量連到一個14針芯片的一側(cè)的7條連線，這7條連線相互靠近，有重迭的磁場，而任一磁場都可被其他磁場內(nèi)的傳感器測量到。與待測連線相近的所有連線的測量值可用算術(shù)的方法處理以產(chǎn)生共同的噪聲因素，接下來用算術(shù)的方法將之減去，然后這一磁場的測量值可通過平均每一連線測量值以獲得一個較精確的值。


　　測量軌跡的平均法　軌跡測量是盡量沿著待測載體軌跡移動傳感器。當傳感器在磁場中移動，以一定的速率進行采樣以獲得充足的數(shù)據(jù)點，這些數(shù)據(jù)將被用作識別磁場噪聲，對之進行平均、快速傅里葉變換或一些其他的方法進行處理，以增加傳感器測量的決議能力和精確性。測量數(shù)據(jù)收集時間被限制在當傳感器在追蹤待測電流時，這只需在傳感器的結(jié)構(gòu)上配置一個按鈕就可以了。這一技術(shù)結(jié)合多點測試技術(shù)將磁感應(yīng)技術(shù)引入磁場映射圖的自動測試應(yīng)用中。


4　軟件分析


　　非侵入式電流傳感器的發(fā)展，使電流的測量可以獨立進行或與已存在的電壓測量、電阻測量和時間測量相結(jié)合。這個過程包括了一系列以前未被用到的信息和參數(shù)。這個新的測量過程要求使用者了解如何運用非侵入式傳感器采集電流信號，對他分析。


（1）傅氏變換


　　傅氏變換是將時域信號變換為頻域信號的一種方法。離散傅里葉變換用于采樣數(shù)據(jù)的變換，快速傅里葉變換用于變換連續(xù)信號。變換的結(jié)果是信號的功率譜密度，或是與頻率相對的能量分布，如在譜窗口的每一頻率的功率的大小。功率譜密度包含著電路中元件反應(yīng)的信息。這些信息在建立測試標準并未被普遍利用。他是一種對電路元件進行動態(tài)定量和定性分析的強有力的工具。


（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析


　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信號進行處理，不受各輸入信號形式的限制。對電路中的電流信號進行測量，可以獲得一系列不同類型的信號，如電流電壓的時間信號、頻域信號，阻抗的幅相圖等。測試信號在被收集、加工處理之后，輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對各種信號進行分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會根據(jù)具體工作的需要輸出相應(yīng)的結(jié)果。


5　結(jié)　語


　　當前的電路測試主要依賴于電壓值在測試點的采集。由于侵入式電流測量的特點，電流值很少被利用，也難以被利用，這大大降低了系統(tǒng)的可測性。非侵入式電流傳感器的發(fā)展，使電流的測量可以獨立進行或與已存在的電壓測量、電阻測量和時間測量相結(jié)合。這個過程包括了一系列以前未被用到的信息和參數(shù)。這個新的測量過程要求使用者了解如何運用非侵入式傳感器采集電流信號，他的缺陷是分析結(jié)果的解釋。電流測試的理論與技術(shù)都很不完善，有待進一步發(fā)展，但已顯現(xiàn)出他的巨大優(yōu)勢。電壓測量配合電流測量顯著地提高了電系統(tǒng)的可測性和可診斷性，加上用于收集和分析電流信號的軟件工具的發(fā)展將對未來自動測試系統(tǒng)產(chǎn)生變革性的影響。




摘自　現(xiàn)代電子技術(shù)