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磁通门传感器测大电流 Flux-gate sensor for high-current measurement 微纳科学技术研究院 2010.4.18-4.29 电流传感技术的基本原理 1)电阻欧姆定律(Ohm’s law of resistance) 2)法拉第电磁感应(Faeadays law of induction) 3)磁场传感器(Magnetic field sensors) 4)法拉第效应(Faraday effect) 基于电阻欧姆定律的电流传感技术 接触式电流测量 A.分流电阻传感(Shunt resistor):基于测量电流在分流电阻上产生的 电压。该方法简单，适合精确测量直流和交流。缺陷是：功率和测 量电路的隔离，以及在测大电流时功耗较大。 1)高性能同轴分流(High-performance coaxial shunt); 2)低耗表面粘着元件(Low-cost surface-mounted-device) B.追踪电阻传感(Trace resistance sensing):PCB copper shunt resistor 基于磁场传感器的电流传感技术 A.霍尔效应传感器(Hall-effect sensors):电流垂直于外磁场通过导体 时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差， 这一现象便是霍尔效应。该方法可以测量直流和交流，频率高达 100kHz，较高的精度和很好的隔离。 B.磁通门传感器(Fluxgate sensors)(后面详述) C.磁阻效应传感(MR) 1).Anisotropic magneto resistance(AMR) 2).Giant magneto resisitance(GMR) 以上部分常见电流传感检测方法的比较 较高 A.偏光检测方法(Polarmeter detection method):直接利用法拉第效应 基于法拉第效应的电流传感技术 光纤技术(fiber-optical techniques):新兴的技术，较传统技术价格 B.干涉仪检测方法(Interferometer detection method) 检测电流。 磁通门传感器测电流的原理 最基本磁通门原理：采用磁场强度H与磁感应强度B之间的非线 性关系 磁通门传感器测电流的常见设计方法 常见设计方法的比较 a)标准磁通门：初始电流产生的磁场通过磁芯得到集 中，在闭环结构中，次级线圈是用来补偿集中的磁 场。优点：优越的灵敏度，温度稳定性，高精度。 b)单一闭合环形磁芯结构：没有激励线圈，激磁线圈 所产生的电流取决于初始电流的大小。特点：低消 耗，热转换低，检测频率带宽有限 c)磁通门+电流转换器：提高了检测频率的带宽。磁通 门负责提供低频信号，电流转换器负责高频信号。 d)采用第三个磁芯：抵消第一个磁通门在初级导体感 应产生的电压噪音，激励线圈的电压随匝比倍增， 当磁芯材料没有饱和时，仅仅只作为转换器。 在磁电路中，为了检测一个等于零磁通的磁场，必须通过必要的电流激励 次级线圈，传感器在零磁通的环境下，电流通过次级线圈得到加强，证实 与被测的初级电流成正比。 Ip=Ns﹒Is 铁磁磁芯和辅助线圈形成了一个饱和感应器，在零磁通的情况下，对于传 感器磁路的检测就是基于该感应器电感值的变化。 磁通门传感器设计框图 对上设计图详细分析 1.信号发生器是为了激励辅助线圈：基于有磁滞现象的比较电路。 当循环电流在主要的线圈激励超过峰值时,电路将改变它的输出的电压值。在振荡电路检 测这些磁性元件,并且这些元件的电特性将影响方波信号电路的振荡频率。对于传感器的设计 ，这些频率的范围在300赫兹左右。 2.辅助电流的对称检测 没有初级电流,激励电流的平均值为零.初级电流存在影响不为零的平均值的输出，并且 信号依赖于这个电流的敏感性。对于次级电流值得自动调节，采用了PI控制器，目的是为了 确保初级电流激励线圈有零平均值。控制器包括一个三角的低频振荡器，一个频率检测器和 一个模拟开关。频率检测器是为了检测激励电流，模拟开关受频率检测器的控制。 5.高频电流的测量 所测量的最大交流电的频率取决于零磁通检测系统的工作频率。对于高频交流 电来说，为了获得一个稳定的动态特性，以免电流的快速变化，就必须采用第三个 磁芯，该磁芯被补偿线圈绕制，作为一个电流转换器。 6.电源供应器 传感器的电压是通过一个回馈的直流转化器提供。通过这种方法，两个稳定的 输出电压来源于一个10V到30V的输入电压。 参考文献 [1]Ziegler, S.; Woodward, R.C.; Iu, H.H.