電流檢測技術綜述
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。然而並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。
1、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，既可用於測量交流電流也可用於測量直流電流。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)。
| 優 | 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，導電體兩端的電壓與通過導電體的電流成正比。而對於電阻物質，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。
| 優 | 不引入額外的電阻，不產生額外的電能損失 |
| 劣 | 產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並不適合。
(3)電感直流電阻
電感直流電阻測量電路屬於一種無損采樣電路。該電路在采樣前需要對其進行精準的調試；目前隻適用於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(小於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裏做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流(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，等於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係：
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
由於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，並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，隻是會產生一定的誤差。
圖3測量誤差與待測電流位置的關係
(2)變壓器測量
相對於羅氏線圈，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係；同時待測量線圈的位置變化對測量精度的影響得到了抑製。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。
3、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。
其被廣泛用於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於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製成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控製電流，當有一磁場B穿過該器件感磁麵，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。由於變壓器效應，高頻激勵源會耦合到反饋繞組中對傳感器產生噪聲幹擾。為了降低內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，信號線圈在P端輸出的電壓信號如下：
(3)巨磁阻傳感器
基於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傳感器基於巨磁電阻效應，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，各應用已處於開發及實用化階段，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，這對於直流輸電係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並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。
