【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2級(jí)，被測(cè)電流與互感器額定電流相比較小時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)急劇增加，其主要原因是：由于鐵磁材料存在磁滯和損耗，當(dāng)被測(cè)電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流之間的線性關(guān)系會(huì)發(fā)生一定變化，特別是較小電流時(shí)，這種偏差尤為明顯。 閉環(huán)型霍爾電流傳感器沿用了比較儀的零磁通原理，在開環(huán)型霍爾電流傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列改進(jìn)，首先是在帶氣隙的鐵磁材料上均勻布置一個(gè)平衡繞組，其次霍爾元件不再用以直接檢測(cè)電流的大小，而作為一個(gè)剩余磁通檢測(cè)單元，霍爾元件的輸出霍爾電勢(shì)控制驅(qū)動(dòng)一定大小的電流通過平衡繞組。穩(wěn)態(tài)下，平衡繞組與被測(cè)電流保持良好的線性關(guān)系，比例系數(shù)為平衡繞組的繞線匝數(shù)與被測(cè)電流繞線匝數(shù)的比值，通過檢測(cè)平衡繞組中的電流大小即可得到被測(cè)電流的大小。閉環(huán)型電流傳感器穩(wěn)定可靠，精度可高達(dá) 103級(jí)甚至更高，但是，平衡電路的驅(qū)動(dòng)能力有限，制作大電流閉環(huán)霍爾電流傳感器是比較困難且十分昂貴的。 霍爾電流傳感器是一種典型的有源型電流檢測(cè)方法，適用于從直流到中頻段的任意波形電流的測(cè)量，在現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，霍爾電流傳感器是數(shù)百安培以內(nèi)電流檢測(cè)的首選產(chǎn)品。開環(huán)型霍爾電流傳感器簡(jiǎn)單，閉環(huán)型霍爾電流傳感器精度較高。 磁通門電流傳感器原理 1933 年，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)磁通門磁力儀，從此，磁通門作為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器受到了人們普遍的關(guān)注，1956 年我國(guó)從原蘇聯(lián)引入的磁通門航空磁力儀，靈敏度高達(dá)5nT ，近年來，我國(guó)自行研制在南極站上使用的 CTM 2302 型磁通門磁力儀分辨率可達(dá) 1nT 以內(nèi)。磁通門能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)磁場(chǎng)，自然能夠?qū)崿F(xiàn)電流測(cè)量，但是由于磁通門能夠檢測(cè)的最大磁場(chǎng)不過數(shù)十高斯，所以磁通門在電流測(cè)量中對(duì)象僅僅限于微弱電流。 下圖是采用磁通門測(cè)量毫安級(jí)電流的典型應(yīng)用，傳感器主要由軟磁材料坡莫合金鐵芯、兩個(gè)激勵(lì)繞組和兩個(gè)檢測(cè)繞組組成。兩個(gè)激勵(lì)繞組均勻?qū)ΨQ的繞在鐵芯上且反向串聯(lián)，匝數(shù)亦相等的檢測(cè)繞組均勻?qū)ΨQ的繞制在激勵(lì)繞組上且方向一致，激勵(lì)繞組中通以一定頻率和幅值的交流電流而在鐵芯中產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場(chǎng)，檢測(cè)繞組獲取的感應(yīng)電勢(shì)與被測(cè)電流存在一定的線性關(guān)系。 磁通門電流傳感器當(dāng)圓環(huán)鐵芯中無電流通過時(shí),由于兩激勵(lì)繞組匝數(shù)相等且反向串接, 鐵芯中產(chǎn)生的兩交變磁場(chǎng)的大小相等,方向相反, 此時(shí)檢測(cè)繞組上的輸出電勢(shì)為零。當(dāng)圓環(huán)鐵芯中有電流I0通過時(shí),由I0產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)H 0疊加在上述兩交變磁場(chǎng)Hc之上 , 由于激勵(lì)繞組反向串接 , 一個(gè)激勵(lì)繞組的勵(lì)磁作用加強(qiáng), 磁場(chǎng)強(qiáng)度為(Hc+H0)，另一個(gè)激勵(lì)繞組的勵(lì)磁作用減弱, 磁場(chǎng)強(qiáng)度為 (Hc H0)。由于鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度B 可近似于描述成磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的一次函數(shù)和三次函數(shù)之和, 而檢測(cè)繞組上的感應(yīng)電壓正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的變化，經(jīng)過系列推導(dǎo)，可以得到以下結(jié)論：檢測(cè)繞組的感應(yīng)電勢(shì)的幅值與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H0和激勵(lì)電流的頻率成正比，比例系數(shù)與激勵(lì)電流、鐵芯物理尺寸和繞線匝數(shù)有關(guān)。為了提高精度，往往對(duì)感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行二次諧波分量（相對(duì)于激勵(lì)電流的頻率）進(jìn)行提取分析，為了提高磁通門的靈敏度，提高激勵(lì)電流的頻率和增大鐵芯的截面積是簡(jiǎn)單而行之有效的方法，具體的磁通門傳原理的細(xì)節(jié)推導(dǎo)和信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)[2630] 中有詳細(xì)描述。磁通門在弱磁場(chǎng)和小電流領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。磁通門能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的前提是：待檢測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H0與激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc相比很小甚至可近似忽略。因此，磁通門僅適用于近似于直流的穩(wěn)恒微弱電流測(cè)量，且只有在有限的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)才能保證接近于1102級(jí)的精度。 光學(xué)電流傳感器原理 光學(xué)電流傳感器可以采用多種物理效應(yīng)，如：法拉第（Faraday）磁光效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)等，其中研究最為充分、最具有實(shí)用化前景的是基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器[3240]。當(dāng)線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場(chǎng)的作用下通過磁光介質(zhì)時(shí)，其偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角 θ 可以表示為： 其中，181。 為法拉第磁光材料的磁導(dǎo)率；V 為磁光材料的 Ve r d e t常數(shù)，它與介質(zhì)的特性、光源波長(zhǎng)、外界溫度等有關(guān)；H 為作用于磁光材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度； L 為通過磁光材料的偏振光的光程長(zhǎng)度。當(dāng)光路為環(huán)繞電流導(dǎo)體的閉合路徑時(shí)，根據(jù)安培環(huán)路定律可知： 其中，N 為線偏振光圍繞電流的環(huán)路數(shù)，i 為被測(cè)電流。通過測(cè)量偏轉(zhuǎn)角θ的大小，即可得到被測(cè)電流的大小，這就是基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流傳感器的基本原理。按傳感頭的結(jié)構(gòu)不同，光學(xué)電流傳感器可以分為全光纖式光學(xué)電流傳感器、塊狀光學(xué)電流傳感器、集磁環(huán)式光學(xué)電流傳感器[4148]。全光纖光學(xué)電流傳感器是將傳感光纖纏繞在通電導(dǎo)體周圍，利用光纖的偏振特性，通過測(cè)量光纖中偏振光的旋轉(zhuǎn)角來間接測(cè)量電流；塊狀光學(xué)電流傳感器的光學(xué)傳感部分采用磁光玻璃作為傳感材料，通過特殊的光學(xué)加工使得偏振光在磁光材料中圍繞通電導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)一周或多周；在磁環(huán)上開一缺口，將磁光材料置于磁環(huán)的缺口中，被測(cè)線路置于磁環(huán)的中央，通過測(cè)量磁環(huán)缺口中的磁場(chǎng)來間接測(cè)量線路中的電流，這種結(jié)構(gòu)被稱為集磁環(huán)式光學(xué)電流傳感器（也被稱為點(diǎn)式光學(xué)電流傳感器）。全光纖式光學(xué)電流傳感器和塊狀光學(xué)電流傳感器采用閉合光路結(jié)構(gòu)，傳感系數(shù)如式（）所示；磁環(huán)式光學(xué)電流傳感器采用非閉合光路，模型如式（）所述。 光學(xué)電流傳感器有著非常突出的優(yōu)點(diǎn)：絕緣造價(jià)低，重量輕，體積小，易于和數(shù)字儀表接口，抗電磁干擾能力強(qiáng)，不存在暫態(tài)磁飽和現(xiàn)象，具有寬廣的動(dòng)態(tài)測(cè)量光學(xué)電流傳感器有著非常突出的優(yōu)點(diǎn)：絕緣造價(jià)低，重量輕，體積小，易于和數(shù)字儀表接口，抗電磁干擾能力強(qiáng)，不存在暫態(tài)磁飽和現(xiàn)象，具有寬廣的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和頻率響應(yīng)范圍。但是，從 1963 年美國(guó)制造出第一臺(tái)光電流傳感器“Tracer” 到現(xiàn)在，光學(xué)電流互感器走過了一段非常曲折的歷史，上世紀(jì) 80 年代是光學(xué)電流傳感器最受關(guān)注的時(shí)期，但這一時(shí)期的光學(xué)電流互感器精度低、穩(wěn)定性差，最終導(dǎo)致了光學(xué)電流互感器研究熱潮在上世紀(jì)90 年代的迅速消退，其主要原因是：全光纖式光學(xué)電流傳感器傳光和傳感部分都采用光纖，其面臨的線性雙折射和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性問題比較嚴(yán)重；塊狀光學(xué)電流傳感器要通過全反射構(gòu)成閉合光路，電矢量相互垂直的兩個(gè)分量之間產(chǎn)生相位差，存在相位補(bǔ)償問題，而且多處采用光學(xué)膠粘合帶來運(yùn)行穩(wěn)定性問題；集磁環(huán)式光學(xué)電流傳感器光路短，受雙折射影響小，但受鐵芯材料的非線性影響較大。 其他電流傳感器原理 電流和磁場(chǎng)有著非常密切的聯(lián)系，通過測(cè)量磁場(chǎng)來獲知電流的大小有效而可行，所以，所有與磁效應(yīng)有關(guān)的物理方法都可以作為磁場(chǎng)和電流測(cè)量的傳感方案。在上述的電流傳感器中，霍爾電流傳感器采用的是霍爾元件的磁阻效應(yīng)，空芯線圈利用的是電磁感應(yīng)效應(yīng)，基于法拉第效應(yīng)的電流傳感器利用了磁光效應(yīng)，這些都是比較常見且技術(shù)相對(duì)成熟的磁場(chǎng)（或電流）檢測(cè)方法，此外，還有一些磁場(chǎng)檢測(cè)手段在科學(xué)研究中也得到了一定的實(shí)踐和發(fā)展，下面列舉了幾種典型的磁場(chǎng)測(cè)量原理和方法，同樣可能在電流檢測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[5459]。 核磁共振。核磁共振是基于測(cè)量原子核核磁矩在磁場(chǎng)作進(jìn)動(dòng)的進(jìn)動(dòng)頻率，而對(duì)于某一物質(zhì)的原子核的旋磁比又為固定不變的常數(shù)，因此核磁共振法測(cè)量磁場(chǎng)是屬于絕對(duì)測(cè)量，核磁共振測(cè)磁場(chǎng)不需要定標(biāo)，只需依據(jù)共振磁強(qiáng)物質(zhì)的旋磁比和共振頻率便可算出磁感應(yīng)強(qiáng)度。核磁共振測(cè)量磁場(chǎng)的誤差包括測(cè)量旋磁比所引起的誤差、用核磁共振法測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)由于判斷調(diào)諧共振點(diǎn)不準(zhǔn)確帶來的誤差、核磁共振變換器里安置樣品的容器對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)的屏蔽作用產(chǎn)生的誤差，但這三項(xiàng)誤差均不超過1106量級(jí)，所以核磁共振常用作標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)量具的基準(zhǔn)。核磁共振適用于20000nT 以上磁場(chǎng)的測(cè)量，針對(duì)太弱的磁場(chǎng)測(cè)量比較困難且精度低，載流母線采用帶偏心圓形空氣溝的圓柱形導(dǎo)體，這是一種單匯流排變換器，其圓柱形空氣溝的軸線平行于匯流排的軸線，在電流沿匯流排截面均勻分布的情況下，空氣溝里磁場(chǎng)是均勻的，并且可以精確計(jì)算出來，通過測(cè)量該磁場(chǎng)的大小即可獲知被測(cè)電流的大小。 超導(dǎo)量子效應(yīng)。又被稱作約瑟夫遜（ Josephson）效應(yīng)，是約瑟夫遜在 1962 年發(fā)現(xiàn)的，兩塊超導(dǎo)體通過一絕緣薄層(厚度為10 埃左右)連接起來，絕緣層對(duì)電子來說是一勢(shì)壘，一塊超導(dǎo)體中的電子可穿過勢(shì)壘進(jìn)入另一超導(dǎo)體中，這是特有的量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。用約瑟夫遜效應(yīng)做出的超導(dǎo)量子干涉器(簡(jiǎn)稱SQUID ) 可分辨 1015 T磁場(chǎng)，在微弱信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用方面顯示出其無比的優(yōu)越性，在國(guó)防、探礦、地震預(yù)報(bào)、生物磁學(xué)等方面得到應(yīng)用。雖然SQUID的靈敏度極高，但由于需要采用超導(dǎo)體，且信號(hào)的解調(diào)十分復(fù)雜，現(xiàn)在除了在部分軍事和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用外還沒有別的產(chǎn)品出現(xiàn)。除了法拉第的光學(xué)電流傳感器這一基于磁光效應(yīng)的檢測(cè)手段外，還有一系列的磁光效應(yīng)可以應(yīng)用在磁場(chǎng)（或電流）檢測(cè)領(lǐng)域，例如Kerr 效應(yīng)和Zeeman效應(yīng)等等。光泵磁力儀就是以Zeeman效應(yīng)（某些元素的原子在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的能級(jí)分裂現(xiàn)象）為基礎(chǔ), 利用光泵作用( 利用光作用使原子磁矩達(dá)到定向排列的過程) 和磁共振技術(shù)研制而成的, 它具有靈敏度高（可達(dá)1010T ）、響應(yīng)頻率高, 可在快速變化中進(jìn)行測(cè)量的特點(diǎn)