电流检测技术综述

　　摘要：现如今，电流检测的技术在工业发展的推动下日臻完善。然而并不是传统的方案就不可取，在不同的应用环境下还是有一席用武之地。电流检测之后通常被用来执行测量“多大”电流和当电流“过大”时动作判断的两个基本功能。

 

　　一、欧姆定律

 

  （1）分流电阻

 

 

　　这种拓扑结构，都存在一定的风险性，低端检测电路易对地线造成干扰；高端检测，电阻与运放的选择要求高。

 

　　检测电阻是最简单的电流测量方法，既可用于测量交流电流也可用于测量直流电流。用该方法进行电流测量的最大弊端是向待测回路中接入了电阻，造成了电能消耗（I^2*R）。

 

　　（2）TRACE电阻

 

　　由欧姆定律表明，导电体两端的电压与通过导电体的电流成正比。而对于电阻物质，该定律可以衍生为：J=σ（E + v × B）。

 

　　式中J是电流密度，E是电场强度，v是电荷流动速度，B是作用在电荷上的磁通量密度，σ为材料的导电性。此时上式又能简化为：J=σE

 

　　这方式采用电路中导体的自身的 TRACE电阻代替分流电阻测量电流也是一种可选择的电流测量方法。
 

 

 

　　如果使用TRACE电阻，则需要高增益放大器来放大电压信号，但放大器的带宽性能一直未能突破的瓶颈。

 

　　众多的专家学者针对TRACE电阻的电流测试性能进行了大量研究，结果表明：金属铜具有典型的热漂移性，因此该测量方式在高精度的应用环境下并不适合。

 

　　（3）电感直流电阻

 

　　 电感直流电阻测量电路属于一种无损采样电路。该电路在采样前需要对其进行精准的调试；目前只适用于对电流进行粗略测量。通常用在开关电源无损电流测量和低压（小于 1.5V ）电流测量场合。

   

　　图 1 电感测量原理图

 

　　二、法拉第电磁感应定律

 

　　电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流（感应电流）。

 

　　（1）罗氏线圈

 

　　Rogowski Coil是一种可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流的线圈。其实也就是一种特殊类型的互感器，通常用来测量交流高电压和瞬时电流。

 

　　任何封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁通量的变化率，可表示为：

 

 

　　由安培环路定则，进而能得到罗氏线圈中的磁通量密度与待测电流之间的关系：

 

　　B 是磁通量密度， r是罗氏环的半径，u0是磁常数，ic是待测电流。

 

图 2 无磁芯罗氏线圈原理图

 

　　由于罗氏线圈的内部没有铁磁材料，线圈不能被驱动到饱和，因而是一种线性器件。

 

　　Rogowski线圈不仅能校准较低的电流，并且能在电流非常高的情况下使用。这也进一步降低了操作的难度和校准高电流的成本。

 

　　不过，该方式也有缺点：待测电流不在线圈中心时，以上原理依旧能够正常工作，只是会产生一定的误差。

 

 

图 3 测量误差与待测电流位置的关系

 

　　（2）变压器测量

 

　　相对于罗氏线圈，电流变压器测量最大的优势是输出端电压与待测电流成正比例关系；同时待测量线圈的位置变化对测量精度的影响得到了抑制。测量的输出信号可以无需放大器放大而直接使用模数变换器采样。

 

　　三、磁效应

 

　　磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。

 

　　其被广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。

 

　　（1）霍尔电流传感器

 

　　霍尔效应（Hall effect）是指当固体导体（或者半导体）放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。

 

　　式中nq为电荷密度，d为导体的厚度。

 

　　Hall器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势。　　

 

　　通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。

 

图 4 霍尔电流传感器基本原理图

 

　　（2）磁通门电流传感器

 

　　磁通门电流传感器具有超高的测量精度和良好的温度稳定性。但是其容易受到激励源带来的外界磁场的干扰。Guillermo等人采用激励绕组差分的形式，从而减小激励源带来的外界磁场的干扰。由于变压器效应，高频激励源会耦合到反馈绕组中对传感器产生噪声干扰。为了降低内外部磁场造成的干扰，传感器可以使用额外的磁芯和额外的线圈。

 

图 5 磁通门传感器基本原理

 

　　基本磁通门传感器，信号线圈在 P 端输出的电压信号如下：

 

　　（3）巨磁阻传感器

 

　　基于巨磁阻效应的传感器其感应材料主要有三层：即参考层（Reference Layer或Pinned Layer），普通层（Normal Layer）和自由层（Free Layer）。

 

　　GMR传感器基于巨磁电阻效应，即在外磁场的作用下传感器电阻会发生的变化。当磁场正向为零时，磁阻材料的电阻最大；在磁场正向或负向增大时，磁阻材料的电阻都减小。

 

　　从巨磁电阻GMR被发现以来，各应用已处于开发及实用化阶段，其首先在硬盘磁头上成功实现商品化，除直接测量磁场外，在电流、位移、线速度和加速度等物理量的测量也得到应用。

 

图 6  巨磁阻传感器结构

 

　　巨磁阻电流传感器具有广阔的应用前景。其与传统电磁式电流互感器相比，能够测量直流到高频(MHz量级)的电流信号，尤其是它能够测量直流电流，这对于直流输电系统中换流站中直流的监测极为有利。

 

　　四、结语

 

　　不同方式的测量性能各有优缺点，除了电流变压器和罗氏线圈无法直接测量直流电流之外，其他测量方法都能够测量直流电流；Trace 电阻和电感电阻测量电流的方法并未在测量电路直接接入分流电阻，因此对待测量电路的影响相对较小；磁通门是目前测量精度最高的测量技术，且提供电气隔离和低能量损失等一些优点。