【導(dǎo)讀】通常的電流傳感器、互感器是把大電流轉(zhuǎn)換為同頻同相的小電流以便于測(cè)量或?qū)崿F(xiàn)隔離。根據(jù)不同的變換原理，一般有基于電磁感應(yīng)原理、霍爾效應(yīng)、磁通門(mén)這幾種技術(shù)的電流傳感器/互感器。本文將介紹在現(xiàn)場(chǎng)該如何選用正確的傳感器來(lái)保障測(cè)試效果最佳。
由于傳感器的測(cè)量”死區(qū)”問(wèn)題，大量程傳感器無(wú)法測(cè)試小電流，所以測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)往往需要選擇多種傳感器來(lái)匹配不同測(cè)試場(chǎng)合。那到底該如何選擇呢？我們一一介紹。
一、電流互感器
電流互感器類似于一個(gè)初級(jí)匝數(shù)很少，次級(jí)匝數(shù)較多的變壓器。理想情況下初次級(jí)電流之比與匝數(shù)比成反比，電流變換比例以初次級(jí)額定電流標(biāo)注，例如“300A/5A”，表示被測(cè)電流為額定值300A時(shí)輸出電流為5A。由于初次級(jí)線圈均存在漏感和電阻，以及勵(lì)磁電流、鐵芯磁化曲線非線性，會(huì)導(dǎo)致互感器產(chǎn)生比值誤差和相位誤差。用于計(jì)量計(jì)費(fèi)的互感器準(zhǔn)確度一般為0.1~1級(jí)。由互感器原理可知，它是不能測(cè)量直流電流的，通常設(shè)計(jì)為工頻測(cè)量，準(zhǔn)確度為工頻下的參數(shù)，帶寬較窄，不適合用于諧波分析和非正弦測(cè)量，如果測(cè)量的信號(hào)含有大量諧波，那么結(jié)果就很嚴(yán)重偏小。使用電流互感器一定注意不能將次級(jí)開(kāi)路，否則將會(huì)產(chǎn)生高壓危及人身和設(shè)備安全。
二、電流鉗
電流鉗可以說(shuō)是應(yīng)用的最多的傳感器了，它們小巧、靈活、幾乎可以適應(yīng)所有測(cè)試場(chǎng)合。從原理上看，主要分為電磁感應(yīng)原理和霍爾效應(yīng)兩種類型。
基于電磁感應(yīng)原理的電流鉗與互感器一樣，鐵芯被分成兩部分，閉合時(shí)兩部分鐵芯需要緊密結(jié)合，有些電流鉗次級(jí)連接了電阻輸出為電壓信號(hào)，沒(méi)有內(nèi)部電阻的輸出為電流信號(hào)，這也是為什么有些廠家同一個(gè)型號(hào)的電流鉗有電流和電壓輸出兩種類型，最典型的就是法國(guó)CA的C117和C116。受到兩部分鐵芯閉合程度的影響，電流鉗精度通常比互感器差一些。同樣地基于電磁感應(yīng)的電流鉗也只能測(cè)量交流。
基于霍爾效應(yīng)的電流鉗是在鐵芯中加工了一個(gè)氣隙放置霍爾元件，利用霍爾元件測(cè)量氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)控制方式不同，有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種類型。開(kāi)環(huán)霍爾型使用線性度較好的霍爾元件，霍爾元件輸出電壓正比于被測(cè)電流。閉環(huán)霍爾型使用零磁通技術(shù)，鐵芯上有補(bǔ)償線圈。當(dāng)初級(jí)有被測(cè)電流在鐵芯中產(chǎn)生磁通時(shí)，霍爾元件檢測(cè)鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)負(fù)反饋將此誤差電壓轉(zhuǎn)換為電流驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償線圈，抵消鐵芯中的磁通，最終被測(cè)電流與補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁通量大小一致方向相反，通過(guò)測(cè)量補(bǔ)償線圈的電流即可按照匝數(shù)比換算出被測(cè)電流。
開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾型電流鉗都可以測(cè)量直流和交流，開(kāi)環(huán)霍爾受鐵芯非線性和霍爾元件溫度特性等影響，精度和線性度都較差，但成本低。閉環(huán)霍爾對(duì)霍爾元件的線性度依賴較小，鐵芯工作在零磁通下，因此精度比開(kāi)環(huán)的高。但是電流鉗存在活動(dòng)鐵芯閉合程度不理想問(wèn)題，幾乎沒(méi)有等于優(yōu)于0.1%的，能夠做到1%已經(jīng)是很高的指標(biāo)。霍爾元件需要提供工作電壓，因此這兩種電流鉗都要供電，閉環(huán)霍爾需要驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償線圈耗電更大。
三、閉口式電流傳感器
通常與霍爾型電流鉗一樣，也有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾兩種類型，輸出為電流或電壓信號(hào)。由于閉口形式，比相同類型的電流鉗精度高，我們最常見(jiàn)的大部分LEM LF系列傳感器就是這種原理。
另外有利用磁通門(mén)技術(shù)的電流傳感器，精度優(yōu)于0.05%，甚至達(dá)到12ppm，但是這種類型傳感器非常昂貴并且很脆弱。在使用中一旦未給傳感器供電情況下，通有被測(cè)電流，會(huì)造成傳感器損壞。此類傳感器最常見(jiàn)的就是LEM IT系列的傳感器。
四、精密電阻
精密電阻可以說(shuō)是經(jīng)常被忽略的，也許大家不知道在什么場(chǎng)合用它。它的本質(zhì)其實(shí)就是一個(gè)電阻，可以將采到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。那什么時(shí)候用呢？用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明下。
當(dāng)使用功率計(jì)PA333H和LEM LF 205-S傳感器進(jìn)行測(cè)試，該傳感器的變比為1:2000，功率計(jì)PA333H能準(zhǔn)確測(cè)試的最小電流為10mA，換算回來(lái)，通過(guò)傳感器我們最小能測(cè)的電流大小為20A！這種組合顯然是不合理的，但是依然有很多場(chǎng)合需要用到。如果此時(shí)我需要測(cè)試20A以下的電流該怎么辦呢？除了換變比更小的傳感器和換成功率分析儀以外（可以測(cè)到更小的電流），還可以使用緊密電阻。如致遠(yuǎn)電子的PATV-33，它的阻值約為3.3歐，加上它之后，這個(gè)組合的變比就成了1.65mV/A，最小可以測(cè)量到0.3A左右。大大提升了傳感器測(cè)量小電流的能力。
五、總結(jié)
測(cè)試儀器結(jié)合霍爾傳感器的測(cè)試方案已經(jīng)應(yīng)用在了工業(yè)生產(chǎn)、汽車、新能源等各大領(lǐng)域，整體的測(cè)量精度也不僅由測(cè)試儀器決定，傳感器也發(fā)揮著不可或缺的作用。在測(cè)試過(guò)程中，選用合適的傳感器和使用正確的測(cè)量方法是非常有必要的，會(huì)直接影響整體測(cè)試效果。
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