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電流檢測技術綜述

文章來源:【工業電器網】 作者:【*】 點擊:次 時間:2019/3/18 15:18:33

(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。電流檢測之後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幹擾;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)。  
  (2)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号,但放大器的帶寬性能一直未能突破的瓶頸。     衆多的專家學者針對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适合。     (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行精準的調試;目前隻适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産生感應電動勢的現象,例如,閉合電路的一部分導體在磁場裡做切割磁感線的運動時,導體中就會産生電流(感應電流)。     (1)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     由于羅氏線圈的内部沒有鐵磁材料,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,隻是會産生一定的誤差。  
  圖 3 測量誤差與待測電流位置的關系     (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。測量的輸出信号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号,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産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。     (1)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)放置在一個磁場内,且有電流通過時,導體内的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,繼而産生電壓(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     (2)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幹擾。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幹擾。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産生噪聲幹擾。為了降低内外部磁場造成的幹擾,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,信号線圈在 P 端輸出的電壓信号如下:     (3)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)的電流信号,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小;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。
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