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電流檢測(cè)技術(shù)綜述

摘要：現(xiàn)如今，電流檢測(cè)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(tǒng)的方案就不可取，在不同的應(yīng)用環(huán)境下還是有一席用武之地。電流檢測(cè)之后通常被用來(lái)執(zhí)行測(cè)量“多大”電流和當(dāng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性，低端檢測(cè)電路易對(duì)地線(xiàn)造成干擾；高 端檢測(cè)，電阻與運(yùn)放的選擇要求高。   　　檢測(cè)電阻是簡(jiǎn)單的電流測(cè)量方法，既可用于測(cè)量交流電流也可用于測(cè)量直流電流。用該方法進(jìn)行電流測(cè)量的大弊端是向待測(cè)回路中接入了電阻，造成了電能消耗（I^2*R）。  
（2）TRACE電阻   　　由歐姆定律表明，導(dǎo)電體兩端的電壓與通過(guò)導(dǎo)電體的電流成正比。而對(duì)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(qiáng)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(dǎo)電性。此時(shí)上式又能簡(jiǎn)化為：J=σE   　　這方式采用電路中導(dǎo)體的自身的 TRACE電阻代替分流電阻測(cè)量電流也是一種可選擇的電流測(cè)量方法。
   

  　　如果使用TRACE電阻，則需要高增益放大器來(lái)放大電壓信號(hào)，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(duì)TRACE電阻的電流測(cè)試性能進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明：金屬銅具有典型的熱漂移性，因此該測(cè)量方式在高精度的應(yīng)用環(huán)境下并不適合。  

（3）電感直流電阻   　　 電感直流電阻測(cè)量電路屬于一種無(wú)損采樣電路。該電路在采樣前需要對(duì)其進(jìn)行**的調(diào)試；目前只適用于對(duì)電流進(jìn)行粗略測(cè)量。通常用在開(kāi)關(guān)電源無(wú)損電流測(cè)量和低壓（小于 1.5V ）電流測(cè)量場(chǎng)合。     圖 1 電感測(cè)量原理圖    二、法拉第電磁感應(yīng)定律   　　電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，例如，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁感線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流（感應(yīng)電流）。  

（1）羅氏線(xiàn)圈   　　Rogowski Coil是一種可以直接套在被測(cè)量的導(dǎo)體上來(lái)測(cè)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(cè)量交流高電壓和瞬時(shí)電流。   　　任何封閉電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(cè)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(shù)，ic是待測(cè)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(nèi)部沒(méi)有鐵磁材料，線(xiàn)圈不能被驅(qū)動(dòng)到飽和，因而是一種線(xiàn)性器件。   　　Rogowski線(xiàn)圈不僅能校準(zhǔn)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(zhǔn)高電流的成本。   　　不過(guò)，該方式也有缺點(diǎn)：待測(cè)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(cè)量誤差與待測(cè)電流位置的關(guān)系   　?。?）變壓器測(cè)量   　　相對(duì)于羅氏線(xiàn)圈，電流變壓器測(cè)量大的優(yōu)勢(shì)是輸出端電壓與待測(cè)電流成正比例關(guān)系；同時(shí)待測(cè)量線(xiàn)圈的位置變化對(duì)測(cè)量精度的影響得到了抑制。測(cè)量的輸出信號(hào)可以無(wú)需放大器放大而直接使用模數(shù)變換器采樣。    三、磁效應(yīng)   　　磁傳感器是把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以這種方式來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件。   　　其被廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類(lèi)型的傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)和其他參數(shù)。   　?。?）霍爾電流傳感器   　　霍爾效應(yīng)（Hall effect）是指當(dāng)固體導(dǎo)體（或者半導(dǎo)體）放置在一個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)，且有電流通過(guò)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)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(xiàn)象。   　　式中nq為電荷密度，d為導(dǎo)體的厚度。  　　Hall器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流，當(dāng)有一磁場(chǎng)B穿過(guò)該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢(shì)。　　   　　通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小間接測(cè)量載流導(dǎo)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(zhuǎn)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(cè)量精度和良好的溫度穩(wěn)定性。但是其容易受到激勵(lì)源帶來(lái)的外界磁場(chǎng)的干擾。Guillermo等人采用激勵(lì)繞組差分的形式，從而減小激勵(lì)源帶來(lái)的外界磁場(chǎng)的干擾。由于變壓器效應(yīng)，高頻激勵(lì)源會(huì)耦合到反饋繞組中對(duì)傳感器產(chǎn)生噪聲干擾。為了降低內(nèi)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(hào)線(xiàn)圈在 P 端輸出的電壓信號(hào)如下：  （3）巨磁阻傳感器   　　基于巨磁阻效應(yīng)的傳感器其感應(yīng)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(yīng)，即在外磁場(chǎng)的作用下傳感器電阻會(huì)發(fā)生的變化。當(dāng)磁場(chǎng)正向?yàn)榱銜r(shí)，磁阻材料的電阻大；在磁場(chǎng)正向或負(fù)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(xiàn)以來(lái)，各應(yīng)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(xiàn)商品化，除直接測(cè)量磁場(chǎng)外，在電流、位移、線(xiàn)速度和加速度等物理量的測(cè)量也得到應(yīng)用。  
圖 6  巨磁阻傳感器結(jié)構(gòu)   　　巨磁阻電流傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。其與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，能夠測(cè)量直流到高頻(MHz量級(jí))的電流信號(hào)，尤其是它能夠測(cè)量直流電流，這對(duì)于直流輸電系統(tǒng)中換流站中直流的監(jiān)測(cè)極為有利。    四、結(jié)語(yǔ)   　　不同方式的測(cè)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(cè)量直流電流之外，其他測(cè)量方法都能夠測(cè)量直流電流；Trace 電阻和電感電阻測(cè)量電流的方法并未在測(cè)量電路直接接入分流電阻，因此對(duì)待測(cè)量電路的影響相對(duì)較小；磁通門(mén)是目前測(cè)量精度高的測(cè)量技術(shù)，且提供電氣隔離和低能量損失等一些優(yōu)點(diǎn)。