|
(浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 magtron lennon) 摘要：現如今，電流檢測的技術(shù)在工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下日臻完善。然而并不是傳統的方案就不可取，在不同的應用環(huán)境下還是有一席用武之地。電流檢測之后通常被用來(lái)執行測量“多大”電流和當電流“過(guò)大”時(shí)動(dòng)作判斷的兩個(gè)基本功能。 一、歐姆定律 （1）分流電阻 
這種拓撲結構，都存在一定的風(fēng)險性，低端檢測電路易對地線(xiàn)造成干擾；高端檢測，電阻與運放的選擇要求高。 檢測電阻是最簡(jiǎn)單的電流測量方法，既可用于測量交流電流也可用于測量直流電流。用該方法進(jìn)行電流測量的最大弊端是向待測回路中接入了電阻，造成了電能消耗（I^2*R）。 優(yōu) 成本低、精度較高、體積小 劣 溫漂較大，精密電阻的選擇較難，無(wú)隔離效果 （2）TRACE電阻 由歐姆定律表明，導電體兩端的電壓與通過(guò)導電體的電流成正比。而對于電阻物質(zhì)，該定律可以衍生為：J=σ（E + v × B）。 式中J是電流密度，E是電場(chǎng)強度，v是電荷流動(dòng)速度，B是作用在電荷上的磁通量密度，σ為材料的導電性。此時(shí)上式又能簡(jiǎn)化為：J=σE 這方式采用電路中導體的自身的 TRACE電阻代替分流電阻測量電流也是一種可選擇的電流測量方法。 優(yōu) 不引入額外的電阻，不產(chǎn)生額外的電能損失 劣 產(chǎn)生的電壓信號非常小 如果使用TRACE電阻，則需要高增益放大器來(lái)放大電壓信號，但放大器的帶寬性能一直未能突破的瓶頸。 眾多的專(zhuān)家學(xué)者針對TRACE電阻的電流測試性能進(jìn)行了大量研究，結果表明：金屬銅具有典型的熱漂移性，因此該測量方式在高精度的應用環(huán)境下并不適合。 （3）電感直流電阻 電感直流電阻測量電路屬于一種無(wú)損采樣電路。該電路在采樣前需要對其進(jìn)行精準的調試；目前只適用于對電流進(jìn)行粗略測量。通常用在開(kāi)關(guān)電源無(wú)損電流測量和低壓（小于 1.5V ）電流測量場(chǎng)合。
圖 1 電感測量原理圖 二、法拉第電磁感應定律 電磁感應現象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應電動(dòng)勢的現象，例如，閉合電路的一部分導體在磁場(chǎng)里做切割磁感線(xiàn)的運動(dòng)時(shí)，導體中就會(huì )產(chǎn)生電流（感應電流）。 （1）羅氏線(xiàn)圈 Rogowski Coil是一種可以直接套在被測量的導體上來(lái)測量交流電流的線(xiàn)圈。其實(shí)也就是一種特殊類(lèi)型的互感器，通常用來(lái)測量交流高電壓和瞬時(shí)電流。 任何封閉電路中感應電動(dòng)勢的大小，等于穿過(guò)這一電路磁通量的變化率，可表示為：
由安培環(huán)路定則，進(jìn)而能得到羅氏線(xiàn)圈中的磁通量密度與待測電流之間的關(guān)系：
B 是磁通量密度， r是羅氏環(huán)的半徑，u0是磁常數，ic是待測電流。
圖 2 無(wú)磁芯羅氏線(xiàn)圈原理圖 由于羅氏線(xiàn)圈的內部沒(méi)有鐵磁材料，線(xiàn)圈不能被驅動(dòng)到飽和，因而是一種線(xiàn)性器件。 Rogowski線(xiàn)圈不僅能校準較低的電流，并且能在電流非常高的情況下使用。這也進(jìn)一步降低了操作的難度和校準高電流的成本。 不過(guò)，該方式也有缺點(diǎn)：待測電流不在線(xiàn)圈中心時(shí)，以上原理依舊能夠正常工作，只是會(huì )產(chǎn)生一定的誤差。
圖 3 測量誤差與待測電流位置的關(guān)系 （2）變壓器測量 相對于羅氏線(xiàn)圈，電流變壓器測量最大的優(yōu)勢是輸出端電壓與待測電流成正比例關(guān)系；同時(shí)待測量線(xiàn)圈的位置變化對測量精度的影響得到了抑制。測量的輸出信號可以無(wú)需放大器放大而直接使用模數變換器采樣。 三、磁效應 磁傳感器是把磁場(chǎng)、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來(lái)檢測相應物理量的器件。 其被廣泛用于現代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應磁場(chǎng)強度來(lái)測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術(shù)中，有許多不同類(lèi)型的傳感器用于測量磁場(chǎng)和其他參數。 （1）霍爾電流傳感器 霍爾效應（Hall effect）是指當固體導體（或者半導體）放置在一個(gè)磁場(chǎng)內，且有電流通過(guò)時(shí)，導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產(chǎn)生電壓（霍爾電壓）的現象。 式中nq為電荷密度，d為導體的厚度。
Hall器件是一種采用半導體材料制成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流，當有一磁場(chǎng)B穿過(guò)該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢�！ � 通過(guò)測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過(guò)了電－磁－電的絕緣隔離轉換。
圖 4 霍爾電流傳感器基本原理圖 （2）磁通門(mén)電流傳感器 磁通門(mén)電流傳感器具有超高的測量精度和良好的溫度穩定性。但是其容易受到激勵源帶來(lái)的外界磁場(chǎng)的干擾。Guillermo等人采用激勵繞組差分的形式，從而減小激勵源帶來(lái)的外界磁場(chǎng)的干擾。由于變壓器效應，高頻激勵源會(huì )耦合到反饋繞組中對傳感器產(chǎn)生噪聲干擾。為了降低內外部磁場(chǎng)造成的干擾，傳感器可以使用額外的磁芯和額外的線(xiàn)圈。
圖 5 磁通門(mén)傳感器基本原理 基本磁通門(mén)傳感器，信號線(xiàn)圈在 P 端輸出的電壓信號如下：
（3）巨磁阻傳感器 基于巨磁阻效應的傳感器其感應材料主要有三層：即參考層（Reference Layer或Pinned Layer），普通層（Normal Layer）和自由層（Free Layer）。 GMR傳感器基于巨磁電阻效應，即在外磁場(chǎng)的作用下傳感器電阻會(huì )發(fā)生的變化。當磁場(chǎng)正向為零時(shí)，磁阻材料的電阻最大；在磁場(chǎng)正向或負向增大時(shí)，磁阻材料的電阻都減小。 從巨磁電阻GMR被發(fā)現以來(lái)，各應用已處于開(kāi)發(fā)及實(shí)用化階段，其首先在硬盤(pán)磁頭上成功實(shí)現商品化，除直接測量磁場(chǎng)外，在電流、位移、線(xiàn)速度和加速度等物理量的測量也得到應用。
圖 6 巨磁阻傳感器結構 巨磁阻電流傳感器具有廣闊的應用前景。其與傳統電磁式電流互感器相比，能夠測量直流到高頻(MHz量級)的電流信號，尤其是它能夠測量直流電流，這對于直流輸電系統中換流站中直流的監測極為有利。 四、結語(yǔ) 不同方式的測量性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，除了電流變壓器和羅氏線(xiàn)圈無(wú)法直接測量直流電流之外，其他測量方法都能夠測量直流電流；Trace 電阻和電感電阻測量電流的方法并未在測量電路直接接入分流電阻，因此對待測量電路的影響相對較��；磁通門(mén)是目前測量精度最高的測量技術(shù)，且提供電氣隔離和低能量損失等一些優(yōu)點(diǎn)。 |
