电子积分器积分漂移抑制措施分析

颜 鹏 贾健明 王 迅

(常州信息职业技术学院 江苏常州 213164)

电子积分器积分漂移抑制措施分析

颜 鹏 贾健明 王 迅

(常州信息职业技术学院 江苏常州 213164)

电子积分器常用于弱磁通检测，分析了电子积分器积分漂移的原因，提出综合解决措施，并给出了软件补偿算法。通过实际测量数据证明，改进了积分器精度，达到了国家标准所规定的微磁通测量精度要求。

电子积分器;积分漂移;磁通;补偿;运算放大器

0 引言

弱磁性材料的静态磁滞回线测量多采用线圈测量法进行，所谓线圈测量法，是指将变化的磁场在线圈中产生感生电动势，然后采用电子积分器进行对其进行积分，就可得到与磁场变化量成正比的输出信号，从而推算出被测样品的磁特性。电子积分器的工作原理如下，当线圈的匝数N和截面积S一致时变化的磁场B引起磁通量Φ的变化，从而进一步在积分器的感应线圈中产生感生电动势e1

由于感生电动势过于微弱，所以采用放大器对其进行放大K倍，放大后的信号采用积分电路(见图1)对感生电动势进行积分，在0-T1时间段内:

将(1)式代入(2)式内，可以得出积分电路输出的电压e2与磁通变化量ΔΦ成正比:

式中ΔΦ是指在0-T1时间内线圈磁通变化量;只要确定RC，就可以通过输出电压e2计算出磁通变化量。［1］

1 干扰产生原因

电子积分器的干扰主要来自积分漂移，积分漂移是指积分器在零输入情况下，积分电容上会累计电荷，从而导致输出从0一直到饱和，之所以产生积分漂移，主要来自运算放大器的失调电压Vos。

图1 积分电路图

2 抗干扰措施

1)采用输入失调电压和失调电流都很小的集成运算放大器。ICL7650斩波稳零运算放大器是INTERSIL公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度功放，有输入偏置小，失调小，高增益，共模抑制能力强，响应快，漂移低，性能稳定和价格低等优点。其中失调电压为 INV＜5 μV，而偏置电流仅为60 pA，满足积分器的设计要求。［3］

2)积分电容两端并联合适电阻。根据所测量的磁通量变化类型、特性等，在积分电容两侧合理并联电阻值(见图1)，降低系统灵敏度，增加抗干扰性。如果不加电阻值，整个电路相对于直流信号而言是开路，这样任何很小失调电压，结果输出很大，最终便会导致电容饱和，直至输出饱和。［4］加入负反馈电阻进行钳位是理想的抗干扰措施，但是这样会导致原有的单纯积分电路数学模型发生变化，输出电压Vo与变化的磁通之间不再是简单的线性关系。忽略掉失调电压和偏置电流所引起的误差，可以得出以下公式:

RF是并联在电容两侧的电阻，解微分方程。得出:

C1是积分常数。输出电压与输入电压之间不再简单积分关系，也就是与变化的磁通ΔΦ之间不是简单的线性关系，传统积分器对此采取的办法是忽略，对于变化缓慢的磁通，忽略后导致偏差较大。［5］如果要精确测量变化磁通，可以采用软件补偿的办法，对式(6)两边积分，积分时间从0到T1:

K2是积分常数，由于输入电压与变化磁通之间存在以下关系:

将式(9)代入式(8)

进一步积分，得出

式中K3是积分常数，ΔΦ可以通过计算机对Vo进行积分以及与CVo之和获得。

3 应用案例

DWY-1型钢铁材料磁特性检测装置是常州信息职业技术学院研制的新型钢铁件材料磁特性检测装置，在本装置中利用电子积分器测量电磁轭中弱磁通量的变化，磁通量变化后在测量线圈中产生感生电动势，感生电动势变化经过放大后经过积分电路转化成电压输出，经过AD转换后进入单片机系统;在本系统中，首先采用ICL7650斩波稳零运算放大器作为前级放大，有效降低了输入失调电压和偏置电流。［6］经过实验分析和计算，在积分电容两端并联1兆欧电阻，提高其抗干扰性。对于并联电阻后引起的误差，采用软件补偿的办法消除。积分算法采用常见的梯形算法，算法核心是将积分函数横坐标区分成若干相等的步长，取步长两端坐标函数值，以直线代替函数曲线，将这些梯形面积累加，代替函数积分值，详细图形见图2。定时器每次中断后，由中断程序完成积分计算工作，Jifen代表积分值，单片机主程序和中断程序见图3、图4。在程序中，步长设置为定时器定时时间值。

图2 积分算法图

图3 单片机积分计算主程序流程图

图4 单片机定时器中断服务程序

4 结论

采取以上措施后，采用伏秒标定法对积分器进行标定，［1］所谓伏秒标定，就是在积分器输入端输入一组标准电压模拟磁通输入，然后对比积分器输出电压与标准电压值，得出积分器精度。从量纲上讲，由于1 VS(伏秒)=108Mx(麦可思伟)= 1 Wb(韦伯)，所以采用“伏秒”直接转换成磁通量，实现对磁通量的精密测量。在标定环境25度，积分器加电12分钟后，标定数据如表1。

表1 新旧标定数据对比表

根据多次标定，结果表明，测量系统精度大于1%，满足国家标准GB/T3567-1983规定的磁通测量误差小于2%的要求，相对改进前提高7倍以上。

［1］ 王涛，等.数字积分器在电子式电流互感器中的作用［J］.电气应用，2006(5):21-23.

［2］ 柴书罡，等.电子积分器在微磁通测量系统中的应用［J］.电测与仪表，2008(1):37-39.

［3］ 李向阳，等.一种高精度低飘逸电子积分器的设计［J］.中国测试技术，2007(6):67-69.

［4］ 卢容德，熊俊俏.谈谈积分电路的分析方法［J］.电气电子教学学报，1998(4):22-25.

［5］ 徐顺利.一种新的无漂移磁通测量方法［J］.南京大学学报:自然科学版，2001(5):56-58.

［6］ 王志斌，姜卫.一种多功能数字式磁通计［J］.华北工学院学报，1995(4):72-74.

Analysis of Measures Used to Restrain Integration Drift in Electronic Integrator

YAN Peng JIA Jian-ming WANG Xun
(Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

Electronic integrator is used to measure micro-power magnetic flux，This article analyzes the reasons of integration drift in electronic integrator，provides some solutions and gives soft compensation.The actual measure data proves that the measurement accuracy of the electronic integrator has been enhanced to reach to the national standard of magnetic flux measurement accuracy.

electronic integrator;integration drift;magnetic flux;compensation;operational amplifier

TM 936

A

1672-2434(2011)06-0025-03

2011-05-13

颜 鹏(1979-)，男，工程师、讲师，从事研究方向:电磁无损检测技术