電流檢測技術綜述

(浙江巨磁智能技術有限公司 magtron lennon)

　　摘要：現如今，電流檢測的技術在工業發展的推動下日臻完善。然而并不是傳統的方案就不可取，在不同的應用環境下還是有一席用武之地。電流檢測之后通常被用來執行測量“多大”電流和當電流“過大”時動作判斷的兩個基本功能。

  　　一、歐姆定律     （1）分流電阻  
  　　這種拓撲結構，都存在一定的風險性，低端檢測電路易對地線造成干擾；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）。  
　?。?）TRACE電阻   　　由歐姆定律表明，導電體兩端的電壓與通過導電體的電流成正比。而對于電阻物質，該定律可以衍生為：J=σ（E + v × B）。   　　式中J是電流密度，E是電場強度，v是電荷流動速度，B是作用在電荷上的磁通量密度，σ為材料的導電性。此時上式又能簡化為：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。
   
  　　如果使用TRACE電阻，則需要高增益放大器來放大電壓信號，但放大器的帶寬性能一直未能突破的瓶頸。   　　眾多的專家學者針對TRACE電阻的電流測試性能進行了大量研究，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境下并不適合。   　?。?）電感直流電阻   　　 電感直流電阻測量電路屬于一種無損采樣電路。該電路在采樣前需要對其進行精準的調試；目前只適用于對電流進行粗略測量。通常用在開關電源無損電流測量和低壓（小于 1.5V ）電流測量場合。     　　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生感應電動勢的現象，例如，閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流（感應電流）。   　?。?）羅氏線圈   　　Rogowski Coil是一種可以直接套在被測量的導體上來測量交流電流的線圈。其實也就是一種特殊類型的互感器，通常用來測量交流高電壓和瞬時電流。   　　任何封閉電路中感應電動勢的大小，等于穿過這一電路磁通量的變化率，可表示為：  
  　　由安培環路定則，進而能得到羅氏線圈中的磁通量密度與待測電流之間的關系：  
　　B 是磁通量密度， r是羅氏環的半徑，u0是磁常數，ic是待測電流。   圖 2 無磁芯羅氏線圈原理圖   　　由于羅氏線圈的內部沒有鐵磁材料，線圈不能被驅動到飽和，因而是一種線性器件。   　　Rogowski線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。這也進一步降低了操作的難度和校準高電流的成本。   　　不過，該方式也有缺點：待測電流不在線圈中心時，以上原理依舊能夠正常工作，只是會產生一定的誤差。  
  圖 3 測量誤差與待測電流位置的關系   　?。?）變壓器測量   　　相對于羅氏線圈，電流變壓器測量最大的優勢是輸出端電壓與待測電流成正比例關系；同時待測量線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、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，以這種方式來檢測相應物理量的器件。   　　其被廣泛用于現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數。   　?。?）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）放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生電壓（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B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢?！　?   　　通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。因此，電流傳感器經過了電－磁－電的絕緣隔離轉換。  

圖 4 霍爾電流傳感器基本原理圖   　?。?）磁通門電流傳感器   　　磁通門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的外界磁場的干擾。Guillermo等人采用激勵繞組差分的形式，從而減小激勵源帶來的外界磁場的干擾。由于變壓器效應，高頻激勵源會耦合到反饋繞組中對傳感器產生噪聲干擾。為了降低內外部磁場造成的干擾，傳感器可以使用額外的磁芯和額外的線圈。  

圖 5 磁通門傳感器基本原理   　　基本磁通門傳感器，信號線圈在 P 端輸出的電壓信號如下：   　?。?）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，即在外磁場的作用下傳感器電阻會發生的變化。當磁場正向為零時，磁阻材料的電阻最大；在磁場正向或負向增大時，磁阻材料的電阻都減小。   　　從巨磁電阻GMR被發現以來，各應用已處于開發及實用化階段，其首先在硬盤磁頭上成功實現商品化，除直接測量磁場外，在電流、位移、線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   　　不同方式的測量性能各有優缺點，除了電流變壓器和羅氏線圈無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??；磁通門是目前測量精度最高的測量技術，且提供電氣隔離和低能量損失等一些優點。