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电流测量技术简介

最近更新时间:2020-05-26 19:57:06

到目前为止,广泛应用的电流测量技术有十多种,其实现难度、性能和成本各不相同。基于安培环路定律的电流传感器(包括罗氏线圈和互感器)具有原、副边电气绝缘,其性能满足工业领域的需求,成本适中,广泛应用于变频器、DC/DC变换器、电机控制器、不间断电源、开关电源、过程控制和电池管理系统。

电流作为一个基本物理量,对其精确测量具有非常重要的意义。物理学家和工程师们一直探索使用各种方法测量电流。19 世纪80 年代用分流器测量电流;20 世纪初用电流互感器和罗氏线圈测量电流;20世纪30年代开发了可以测量直流大电流的高精度直流互感器和磁通门传感器;20世纪50 年代,随着半导体技术的发展,开发了基于霍耳效应的霍耳感应单元,并应用于电流传感器;20 世纪70 年代以来,基于磁电阻效应的感应单元逐渐产品化,并应用于电流传感器。近年来,以MEMS为代表的电流测量技术快速发展,使产品小型化、低成本成为可能。从以上测量技术的历史中发现,电流测量方法从直接测量到间接测量,电流测量原理从电场测量到磁场测量,电流测量产品的性能不断提高,成本不断降低。通过对电流的准确测量,可以实现对整机或者系统的实时监控和保护。电流传感器是一类重要的电流测量产品,它通过测量原边电流产生的磁场间接测量电流,经过信号处理,输出低电压或小电流信号,同时具有原、副边电气绝缘,以保证整机或系统的安全要求。电流传感器输出的电压或电流,可以直接应用于整机或系统,也可以通过A/D 转换器转换成数字信号,经过微处理器或者DSP 运算处理,实现整机或系统的实时测量或者自动保护。电流传感器用途广泛,主要应用于变频器、DC/DC 变换器、电机控制器、不间断电源、开关电源、过程控制和电池管理系统等产品,涉及到传统工业、风能和太阳能等新能源、汽车、机车、医疗设备和自动化等各个领域。不同的应用领域,整机或系统对电流传感器的要求不同:有的产品要求精度高;有的产品要求响应速度快;有的产品要求抗干扰能力强等。为了满足整机或系统的技术要求,陆续开发了基于不同技术的电流传感器,其测量范围、精度、带宽、电气绝缘、响应速度、抗干扰能力等性能不同,成本也有很大的差异。到目前为止,有十多种不同的电流测量技术应用到电流传感器中。

通常来说,电流传感器基于以下几种物理学原理进行电流测量。

首先是基于欧姆定律的分流器(shunt),其两端输出电压和被测电流成正比,具有成本低、应用方便的优点,能满足一般要求的电流测量应用,目前仍被广泛使用。但是,分流器串联在电路中,导致其局限性也很明显:测量大电流时的损耗大、没有电气绝缘。因此在需要电气绝缘的环境中使用时,需要额外配置电气绝缘措施,比如隔离放大器等,导致成本升高、带宽降低。高性能的分流器也在陆续开发中,比如同轴分流器等。

其次是基于安培环路定律的电流传感器,通过测量磁场来间接测量电流的大小和方向,具有原、副边的电气绝缘。工业领域应用的电流传感器,通常基于以下5 种测量技术:

1)霍耳(HALL)电流传感器;

2)磁通门(fluxgate)电流传感器;

3)磁电阻(magnetoresistiveMR)电流传感器,包括AMRGMRTMR

4)罗氏线圈(Rogowski coil);

5)电流互感器(current transformer)。还有其他间接测量技术的电流传感器。

主要是利用磁场和其他物理学原理或效应的结合,实现电流的间接测量。包括法拉第效应磁光效应(magneto-optic),核磁共振NMRnuclear magneticresonance),磁致伸缩效应(magnetostrictioneffect),量子霍耳效应(quantum Hall effect),超导量子干涉装置SQUID 等。这些技术及其产品分别有不同的特点,针对不同的细分市场,使用复杂,价格高。例如基于NMR、量子霍耳效应和SQUID 的电流传感器,对应用环境要求高,价格高,少量应用于实验室仪器设备中,到目前为止,部分技术还不成熟,处于开发或完善阶段;基于法拉第磁光效应的电流传感器,测量交流大电流(比如100 kA)有较好的性能,但是测量直流时,性能问题亟待解决。

对比来看,基于环路安培定律的电流传感器,解决了分流器的原、副边电气绝缘的问题;经过几十年的发展,技术成熟,适合批量生产,价格合理,满足工业领域的需求,应用广泛。

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