电流传感器技术综述

电流传感器技术综述
作者：宋兴军
来源：《科学与信息化》2019年第04期
摘要近年来，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。

基于此，本文主要对电流传感器技术进行分析探讨。

关键词电流传感器；技术综述；副边电气绝缘
前言
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。

1 电流传感器原理
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（MR）电流传感器，包括AMR，GMR，TMR；④罗氏线圈；⑤电流互感器。

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，核磁共振NMR，磁致伸缩效应，量子霍尔效应，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、
量子霍尔效应和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100kA）有较好的性能，但是测量直流时，性能问题亟待解决[1]。

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。

2 基于安培环路定律的电流传感器
直接测量磁感应强度B的电流传感器有3大类，包括霍耳电流传感器、磁通门电流传感器和磁电阻电流传感器；利用法拉第电磁感应定律测量电流的电流传感器有2类，分别是罗氏线圈和电流互感器。

2.1 霍耳（HALL）电流传感器
HALL电流传感器应用最广泛，其基本原理是使用HALL感应单元测量电流产生的磁感应强度B，通过信号处理得到被测电流的大小和方向。

基于HALL效应的HALL感应单元，封装在集成电路中。

（1）HALL开环电流传感器。

HALL开环电流传感器的工作原理简单。

把HALL感应单元放置于磁芯的开口处，再配置相应的处理电路，构成HALL开环电流传感器。

磁芯用于聚磁，放大磁感应强度的幅度，同时防止外部磁场的干扰。

HALL开环传感器性能稳定可靠，可以测量直流、交流和复杂的电流波形，具有原、副边电气绝缘，没有插入损耗。

（2）HALL闭环电流传感器。

HALL闭环电流传感器的工作原理是在HALL开环电流传感器的基础上，增加了补偿电路来提高产品性能，在闭环工作时，HALL感应单元及其电路可以提供最大10kHz的带宽。

超过这个带宽，次级线圈作为电流互感器来提升HALL电流传感器的带宽。

2.2 磁电阻MR电流传感器
William Thomson于1857年在铁磁性材料中发现磁电阻现象，例如在通电的坡莫合金里，其电阻随着外加磁场的大小和方向发生变化。

受限于当时的技术能力没有产品化，直到100多年后，随着薄膜技术的发展，才有商业化的产品问世。

磁电阻感应单元，有不同的实现技术和构造形式，包括AMR各向异性磁电阻，巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR等。

产品内部设计成惠斯通电桥结构，以提高测量精度，减小温漂。

磁电阻感应单元，均设计成集成电路封装，体积小。

这些产品最早应用于磁带和硬盘等磁记录媒介的读出头，近年来，开始拓展到电流测量的应用领域。

2.3 罗氏线圈
罗氏线圈是测量交流电流的一种电流传感器，罗氏线圈的原理是典型的基于法拉第电磁感应原理的电流传感器，原边电流IP的变化，引起罗氏线圈输出感应电压U的变化。

罗氏线圈似乎是可以测量直流电流的，但是起始状态t=0时的Uout（0）未知，不能重构直流电流，所以罗氏线圈只能测量交流而不能测量直流。

通过提高线圈的截面积A或者增加线圈匝数N可以提高罗氏线圈的灵敏度，但是增加线圈匝数N，将会加大线圈的分布电容，影响罗氏线圈的带宽，设计时需要综合考虑[2]。

3 结束语
近年来，随着半导体和微电子技术的发展，基于MEMS的HALL，AMR，GMR，TMR 等感应单元发展迅速，适宜不用磁芯而直接测量电流，特别适合于电路板级的小电流测量。

成本低，易于批量生产，是今后测量小电流的电流传感器发展的方向。

参考文献
[1] 肖继学，李世玺，程志.交流电压智能传感器的粗信号处理[J].西华大学学报：自然科学版，2011，30（2）：35-38.
[2] 车畅，胡丹.交流电力功率智能传感器粗信号处理[J].西南交通大学学报，2011，46（4）：598-603.。