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电流检测技术综述

来源:浙江巨磁智能技术有限公司 编辑:magtron lennon 时间:2019-03-18
导读: 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
  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。
 
 
责任编辑:magtron lennon

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