多通道电流传感器自动测试系统

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多通道电流传感器自动测试系统
A multi-channel current sensor automatic test system
李 斌，孙向平，高金伟，付文帅，李越超，韩 冰（北京普瑞姆赛斯科技有限公司，北京 101102）
摘 要：多通道电流传感器自动测试系统可以根据测试需求，实现电流传感器的比例误差、上升时间、零点偏置、零点漂移、线性度等参数的自动测试。

其中精密恒流源输出可至200 A，准确度优于0.01%，多台并联可达到2 kA。

覆盖了大多数中低准确度的测试需求，同时可配合准确度高达10-6的标准电流传感器解决更高准确度的测试需求。

关键词：电流传感器；自动测试；精密恒流源；比例误差
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。

图１　系统原理框图
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。

作者简介：李斌(1991-)，男，主要研究方向：精密测量、仪器仪表。

E-mail：*****************。

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：*****************。

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：*********************。

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表１　自动测试系统主要技术指标
项目技术指标备注
直流比例误差≤ 10-5/
上升时间1 μs～10 ms/
电流响应速度≤ 100 A/μs/
零点偏置0.1 μA～100 mA/
零点漂移10-5/month 时长可调整
线性度≤ 2×10-6/
源输出能力0 A ～2 kA可并机扩展能力
源短期稳定度≤ 5.0×10-5/30 min/
源准确度0.01%RD + 3 mA/
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f s/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
图２　精密恒流源原理框图
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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。

图４　直接测试法
∆=
−N N DC DC U I R sDC
xDC x
 （1）
式中，∆N DC 为被测磁通门电流传感器直流测量比例误差，无量纲；N DC 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 ；R x 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。

图５　比较法测试原理
其中，误差电流
∆=
−=I N N R
I I s s s x U R
 （2）
比例误差
N N N DC =−s x
（3）
合并式（2）与式（3
），可得
N N DC
=−s
11−U N 1
RI R s s （4）由于I s 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，I s 可以用其标称值I 代替。

图３　多通道数据采集模块
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式中：N S为标准电流传感器校准后得比例值，无
量纲；I s为精密恒流源输出电流值，在此可以用标称值
I代替，A；U
R
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U
1～U
n
，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 A
Peak
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。

图６　脉冲电流源原理框图
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。

图７　零点偏置测试原理图
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：
δL
=×
∆
Y
L
FS
max100% （5）式中：δL为传感器的线性误差，无量纲；∆L max为传感器多次测量校准曲线与拟合直线间的最大偏差；Y FS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
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类图表。

图８　比例误差测试流程图
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。

 
（下转第８２页）
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网电力监控系统使用电力设备通信协议，具有采集电力数据（电压、电流、功率、频率）、当前用电量记录、配置告警阈值、主动触发告警的功能，能够对高耗电设备进行电力监控和管理，及时报告电力故障，保障大批量用电设备的正常运行[4]。

３．３　车辆智管
在政府或者企业中，存在公车资源利用不合理的状况，如政府或企业实际驾驶人、没有按规定的车辆路线驾驶、乱报账、乱维修和乱加油等，但实际中往往由于多方面因素无法对其进行有力监管。

这影响了公司的规范合法化管理，造成了政府和企业资源的滥用和浪费。

车辆智管是一种基于物联网的车辆设备管理系统，通过车辆中的各种类型传感器采集车辆的各种信息；通过GPS实时确定车辆的位置和路线；通过摄像头和监控识别和比对驾驶人员信息、记录开车行为信息以及随乘人员信息。

最后车内的通信设备将所有数据传送到平台，经统一平台实现公车的管理、监控和调度等，有效解决公车管理难题。

其应用范围广泛，具体包括以下四种：①企业办公用车的实时位置监控、用车审批、用车档案记录、经费报销和车辆养护提示等。

②政府执法用车的车辆定位、统一调度、用车申请、语音对讲、出车记录等。

③消防、医疗急救部门用车的分配调度、出车统计、最佳路线提示等。

④物流运输用车的车辆油耗统计、里程记录、停车监控等。

⑤能源通信用车的位置监控、集群定位对讲、人员巡检路线记录、拍照和视频上传等。

4 结束语
物联网在当前的企业资产管理实践中已被证明具有很强的适应性和应用价值，通过聚焦传统人工资产管理方式的痛点来解决问题。

随着物联网技术的成熟与发展，未来资产设备的边界会不断得到拓展，大量的资产设备将具备数据交换和处理的能力，以便于完成协同化管理，企业资产设备的智能化管理优势会愈加凸显。

为了提高设备的管理效率和实现资产设备利益的最大化，需要对基于物联网的资产设备管理智能化管理应用进行更多的研究与探索，以使其更好地应用于企业资产设备管理实践。

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（上接第３５页）
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