電流檢測技術(shù)綜述

1、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)險性，低端檢測電路易對地線造成干擾;高端檢測，電阻與運(yùn)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(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，無隔離效果

(2)TRACE電阻

由歐姆定律表明，導(dǎo)電體兩端的電壓與通過導(dǎo)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是電場強(qiáng)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(dǎo)電性。此時上式又能簡化為：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(xué)者針對TRACE電阻的電流測試性能進(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(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)試;目前只適用于對電流進(jìn)行粗略測量。通常用在開關(guān)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

2、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)電動勢的現(xiàn)象，例如，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運(yùn)動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流(感應(yīng)電流)。

(1)羅氏線圈

Rogowski Coil是一種可以直接套在被測量的導(dǎo)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(yīng)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(huán)路定則，進(jìn)而能得到羅氏線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(shù)，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(nèi)部沒有鐵磁材料，線圈不能被驅(qū)動到飽和，因而是一種線性器件。

Rogowski線圈不僅能校準(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，該方式也有缺點(diǎn)：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(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(shù)變換器采樣。

3、磁效應(yīng)

磁傳感器是把磁場、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，以這種方式來檢測相應(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)磁場強(qiáng)度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù)。

(1)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)放置在一個磁場內(nèi)，且有電流通過時，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B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢。

通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導(dǎo)體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過了電-磁-電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。

圖 4 霍爾電流傳感器基本原理圖

(3)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(wěn)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(yīng)，高頻激勵源會耦合到反饋繞組中對傳感器產(chǎn)生噪聲干擾。為了降低內(nèi)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：

(4)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)，即在外磁場的作用下傳感器電阻會發(fā)生的變化。當(dāng)磁場正向為零時，磁阻材料的電阻最大;在磁場正向或負(fù)向增大時，磁阻材料的電阻都減小。

從巨磁電阻GMR被發(fā)現(xiàn)以來，各應(yīng)用已處于開發(fā)及實用化階段，其首先在硬盤磁頭上成功實現(xiàn)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(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(tǒng)中換流站中直流的監(jiān)測極為有利。

四、結(jié)語

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小;磁通門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)。