直流电流检测综述

直流检测的原理及方法
目录
直流检测的原理及方法 (1)
1.直接式测量 (1)
2.非直接式测量 (2)
2.1.霍尔传感器 (2)
2.2.直流电流互感器 (5)
2.3.电流比较仪 (8)
3.总结 (9)
测量电流的方法一般分为直接式和飞直接式两种。

直接式一般通过串联电阻进行，根据欧姆定律电流的大小和电压成正比，因此可以测量一个小电阻的电压差得到所经过电流的大小。

非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到，由于电流周围本身会产生磁场，电流的大小和它自身产生的磁场成正比，因此可以通过测量磁场的大小得到经过电流的大小。

比较：直接式用于电压不高，电流相对较小的情况；非直接式不带有任何导电关系，可用于电压较高，电流较大的情况。

1.直接式测量
如前所述，直接式测量一般都是通过测量串接在电路中电阻两端的电压信号来计算得到所测的电流的大小，测量电流的上限一般为十几安培。

直接得到的电信号是模拟信号，一般都比较微弱，还会外接放大电路将信号放大，再通过A/D 转换电路将其转换为数字信号。

这一类电流传感器对串接的测量电阻和外接的信号放大电路有一定的要求。

首先，这一电阻要有较高的精度和较好的温漂特性。

测量电阻的电阻值在一定的环境下是不变的，可以通过使用一些较好的测量仪器及较先进的测量方法得到所需的精度要求；但是温度漂移不可预测，补偿也比较困难。

因此，对于电流传感器而已，温漂特性是最应该关注的问题之一。

如：一个电阻R=1mΩ，精度为1%，电阻的温漂系数TCR=±200ppm/℃，当输出电流I=33A，输出功率P=1W；当I=45A 时输出功率P=2W，这种情况下电阻温度会有所改变。

假设温度漂移是75℃，如果TCR=20 ppm/℃，输出精度改变=（75℃）×（20 ppm/℃）×（0.0001%/ppm）=0.15%；如果是普通电阻，温漂特性达800ppm/℃，则输出精度改变=（75℃）
×（800ppm/℃）×（0.0001%/ppm）=6%，可见，传感器中电阻的温漂系数对测量精度影响还是比较大的，要尽可能地选电阻温度系数小的材料。

由于通过电阻之后输出为电压信号，该信号比较小，需用放大器放大。

配套电路必须选用本身误差幅度小于传感器的误差幅度，相对而言，主要的误差来源在于电阻而不是放大器。

下图是TI公司的几款放大器的具体参数：
图1：几款放大器的基本特性
图2:800μV放大器的基本特性
如果电阻本身TCR=20ppm/℃，温漂为75℃，则精度误差为0.15%，如果选用OPA350，其精度误差为1.8%，远远大于电流传感器的误差，因此不能接收；如果选用OPA335、OPA333，其精度误差远小于电阻本身的温度误差，从而保证系统精度有可能提高。

如果选用温度性能更高的电阻，则可以保证电路能准确放大输出信号。

2.非直接式测量
非直接式电流测量直流电的方法一般有霍尔传感器、电流互感器和电流比较器几种。

2.1.霍尔传感器
霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。

霍尔效应的原理是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

流入激励电流端的电流I越大，作用在固体材料上的磁场强度就越强，霍尔电势就越
高。

磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场和交变磁场，也即是能测量直流和交流。

霍尔电流传感器有两种工作方式，即直测式和磁平衡式，由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成，如图3所示：
图3：霍尔电流传感器
直测式（开环式CHFT 系列）电流传感器：众所周知当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生一强磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，通过磁芯聚集感应到霍尔器件上，使之有一信号输出。

这一信号经功率放大器放大后，直接输出，一般额定值标定为4V，此为直测型电流传感器。

磁补偿式电流传感器（闭环式CHB 系列）：磁补偿式的工作原理是磁场平衡的，即主回路电流IP 在聚磁环所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线产生的磁场被聚磁环聚集，感应霍尔器件使之有一个信号输出，这一信号驱动相应的功率管导通，从而获得一补偿电流IS。

这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当IP与匝数相乘所产生的磁场与IS 与匝数相乘所产生的磁场相等时，IS 不再增加，霍尔器件起到指示零磁通的作用。

此时可以通过IS 来测试IP，当如变化时，平衡受到破坏，霍尔器件就有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。

被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有相应的电流流过次级绕组，对失衡的磁场进行补偿。

从磁场失衡到再次平衡所需的时间不到1ms 。

这是一个动态平衡的过程。

因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等即：NP·IP＋NS·IS＝0。

其中，NP 为原边匝数，IP 为原边电流，IS 为次级补偿电流。

NP、NS 可从使用手册中查到，测得IS 的大小即可得知被测电流的大小。

霍尔电流传感器的使用方法：电流传感器只需外接正负直流电源，被测电流
母线从传感器中穿过，即可完成主电路与控制电路的隔离检测，简化了电路设计。

若与变送器配合使用，经A/D变换，可方便地与计算机和各种仪表接口，并可以长线传输。

图4：磁补偿型电流传感器接线方法
霍尔传感器的主要参数：
1.标准额定值I PN和额定输出电流I SN：IPN 指电流传感器所能测试的标准
额定值，用有效值表示（Arms），I PN的大小与传感器产品的型号有关。

I SN指电流传感器额定输出电流，一般为10~400mA，当然根据某些型号
具体可能会有所不同。

2.偏移电流I SO：偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件
或电子电路中运算放大器工作状态不稳定造成的，一般在出厂时偏移电
流已调至最小。

3.线性度：线性度决定了传感器输出信号（副边电流I S）与输入信号（原
边电流I P）在测量范围内成正比的程度。

4.温度漂移：偏移电流I SO是在25℃时计算出来的，当霍尔电极周边环境温
度变化时，I SO会产生变化。

因此，考虑偏移电流I SO的最大变化是很重要
的，其中，I TO是指电流传感器性能表中的温度漂移值。

5.过载：电流传感器的过载能力是指发生电流过载时，在测量范围之外，
原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，过载值有可能
超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传
感器造成损坏。

6.精度：霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流I PN。

下表是某一款型号的霍尔电流传感器的具体参数：
下图是这两款电流霍尔的外观图：
图5：LA-100P 图6：CHB-50SF 2.2. 直流电流互感器
直流电流互感器：众所周知，直流电流不能产生电磁感应，所以直流电流互感器的工作原理就不是简单的电磁感应原理。

直流互感器和交流互感器一样，也有一次线圈，二次线圈，考虑到一次直流电流的大小决定了铁芯的饱和程度，所以如果在二次线圈上加上交流电压，则二次交流电流的大小就与一次直流电流值有关，这就是直流互感器的最基本原理。

实际使用过程中，直流互感器是以交流磁势平衡被测直流磁势为基础的，实际上是利用被测直流改变带有铁心扼制线圈的感抗，间接地改变辅助交流激磁电路的电流，从而反映被测直流电流的大小。

直流电流互感器通常是由两个相同的闭合铁心所组成, 在每个铁心上有两个绕组: 原方绕组和副方绕组。

原方绕组串联接入被测电路, 副方绕组则连接到辅助交流电路中, 其连接方式有串联和并联两种, 前者称为副方绕组串联直流互感器, 后者称为副方绕组并联直流互感器。

由于副方绕组接法不同, 这两种互感器的静态特性和动态特性有很大差别, 用途也各不相同。

其中副方绕组串联直流互感器用来测量电流, 副方绕组并联直流互感器则主要用来测量电压。

下图是副方绕组串联直流互感器的接线图。

直流互感器工作状况分析：为了分析的方便，拟采用下面的电路图进行说明。

图8：副方绕组串接时的电路图
要讨论这个问题，首先要知道铁心的磁化曲线，这里指的是组成铁心后，在
线圈两端加一定波形（一般是正弦波）与一定频率的交流电压而测得的动态磁化
曲线。

电工钢制成的铁心，其动态磁化曲线如图9（a）所示，坡莫合金的动态
磁化曲线可看成是图9（b）所示的矩形曲线，在理论分析时，（a）和（b）都可
以简化为（c）所示的理想直角磁化曲线，这样给分析带来方便，且问题本质没
有太大改变。

图9：各种磁化曲线示意图
基于上面的假设，交流侧施加一定的交流电压，交流侧电流波形如下图所示（与交流电压比较，具体的分析过程就省略掉了）：
图10：图8中e~，i~的变化规律（理想磁化曲线）
经过整流后流过取样电阻上为直流电，通过测量取样电阻上电压值即可得到主电路的电流值。

以上分析都是建立在理想直角磁化曲线的基础上的，略去了磁滞、涡流、漏抗、饱和电抗等诸因素的影响，实际的工作情况与理想情况还是有一定偏差的。

简单地说，磁化曲线离理想情况愈远（回环宽度越大，饱和部分斜率越大，膝部弯曲越慢等），则平均误差就越大，所以作为直流互感器用的铁心，其磁化曲线应尽量和理想磁化曲线相近。

要使直流电流互感器能正常工作，一次电流I-，二次负载电阻R，交流电势幅值E m和频率等都不能超出一定的范围，否则互感器就不能正常工作。

下表所示为一型号直流电流互感器的具体参数，图11为其外观示意图。

技术参数
图11：BLZ-1K
2.3.电流比较仪
电流比较仪是一种能够以高准确度测定两个电流之间比值的磁装置。

它是根据当一个铁心上的两个极性相反的绕组间达到安匝数相等时，铁心中感应不出磁通来这一原理而工作的。

大概分为磁调制式和磁放大式两类。

磁调制器直流比较仪是基于磁调制原理的一种闭环控制结构的直流大电流测量设备。

磁调制器的物理基础是软磁材料B - H 曲线的非线性关系, 在一个由交流调制激励到饱和的软磁铁心中, 由于B - H 曲线的非线性, 铁心的交变磁通产生了高次谐波。

当没有直流或低频偏置磁场时, 由于B -H 曲线对称, 交变磁通中仅有奇次谐波; 而加进直流或低频偏置磁场时, 铁心在某一个方向上较另一个方向上更易饱和, B -H曲线的对称性被破坏, 交变磁通中产生偶次谐波, 偶次谐波的大小和相位反映了偏置磁场的大小和方向。

利用这一特性测量偏置信号, 这就是磁调制器的基本原理。

如果只取偶次谐波中的二次谐波为有用信号, 就称为倍频磁调制器。

从整体看, 磁调制式直流电流比较仪主要由三部分组成：( 1) 激励源。

包括振荡器和激励变压器；( 2) 电子线路。

一般包括带通滤波器、同步信号发生器、相敏解调器、直流放大器和功率放大器；（3）探头。

由双环调制铁心、激励检测绕组、静电屏蔽、磁屏蔽和反馈绕组组成。

磁调制式直流电流比较仪是一个闭环系统, 其工作原理如图：
图12：磁调制式直流电流比较仪工作原理图
磁放大器直流比较仪是一种闭环控制结构的直流大电流测量装置。

磁放大器是利用其磁心材料非线性这一特点, 这种非线性越突出, 其作用也就越明显, 磁放大器的核心是一个具有矩形磁滞回线的环形磁心。

工作原理是利用饱和电抗器的可控特性, 在电源导通半周内, 交流线圈的电抗在一部分时间里为无限大, 而在另一部分时间里为零(或者很小) , 调节这两部分时间的比例就可以控制负载上电流的半波平均值大小。

在磁放大器实际应用中, 往往要求它能反映输入信号的极性, 即当输入信号改变极性时, 输出电压或电流的极性也跟着改变。

双向铁心磁放大器检测原理如图5所示。

每个铁心上各绕有检测线圈(这里检测线圈同时也是激磁线圈), 在检测线圈外环绕着磁屏蔽, 以便
抵御外磁场的影响。

母排穿过铁心孔成为磁放大器的一次线圈, 母排上的直流大电流即为被测电流。

工作时, 当母排上的电流I P为零时, 两个铁心的激磁状态相同, 其内部磁通也相同, 因此在一个周期内两检测线圈的平均阻抗也相同, 使得磁放大器输出电压V s= 0。

当电流I P> 0时, 在上面铁心中, 由IP 所产生的磁势与激磁电流所产生的磁势同向叠加, 使得该铁心中的磁通趋于饱和；而在下面铁心中, I P所产生的磁势与激磁电流所产生的磁势反向叠加, 使铁心中的磁通远离饱和; 于是在一周期内上面检测线圈的平均阻抗小于下面检测线圈的平均阻抗, 因此有V S> 0。

当电流I P< 0时, 上下铁心的工作状态正好和I P> 0时的情形相反, 于是可得V S< 0。

显然IP 的数值越大, 上下铁心的平均阻抗差别也越大, V S的数值就越大。

因此, 根据V S的大小和符号可知道V S的大小和方向。

图13：双向磁放大器检测原理
总结：
3.总结
几种测量方法的比较：
上面关于各种测量方法只是个人根据文献提到的性质特点大致做的总结，也不是特别准确，比如测量范围。

对于几十安到百安的电流，一般应用比较多的就是霍尔传感器，精度各方面都满足要求。

后面的电流比较仪看了一下，不是特别懂，然后查了一下产品，似乎也没成熟，就只是提了一下。

关于高精度测量这方面，除了选择合适的测量方式和测量仪器外，主要是设计合适的电子电路对检测的信号进行适当的处理，比如减小共模信号，采用光纤传输等等，这一块的话还需要再看一看。