【正文】 ，霍爾元件無觸頭、不易磨損，采用各種保護和補償措施的霍爾元件工作范圍寬，可達 55℃～150℃?；魻栐曰魻栃?yīng)為工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器，可以檢測磁場及其變化?；魻栃?yīng)是在金屬中被發(fā)現(xiàn)的，但是在半導(dǎo)體中更為顯著。數(shù)據(jù)采集電流檢測單片機數(shù)碼顯示電壓放大 系統(tǒng)框圖電流檢測模塊將被測導(dǎo)線周圍的磁感應(yīng)強度轉(zhuǎn)換為電壓值，送到數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將，電流檢測模塊送來的電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送到單片機，單片機對送來的數(shù)據(jù)進行處理，將送來的電壓值轉(zhuǎn)換為電流值，最后送到LCD顯示模塊顯示出來，實現(xiàn)電流的實時測量。3總體方案及硬件電路設(shè)計 總體方案 基于霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心,應(yīng)用霍爾傳感器技術(shù),實現(xiàn)對被檢測電路電流的測量。 上述的物理效應(yīng)在理論上都可以實現(xiàn)一定頻率和幅值電流的測量，而且，可以預(yù)言：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多與電和磁相關(guān)的物理效應(yīng)會被發(fā)現(xiàn)，同時，更多的物理方法會被采用制作新型的電流傳感器來滿足要求極苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域。光泵磁力儀就是以Zeeman效應(yīng)（某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的能級分裂現(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1010T ）、響應(yīng)頻率高, 可在快速變化中進行測量的特點。雖然SQUID的靈敏度極高，但由于需要采用超導(dǎo)體，且信號的解調(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)。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，絕緣層對電子來說是一勢壘，一塊超導(dǎo)體中的電子可穿過勢壘進入另一超導(dǎo)體中，這是特有的量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。核磁共振適用于20000nT 以上磁場的測量，針對太弱的磁場測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，空氣溝里磁場是均勻的，并且可以精確計算出來，通過測量該磁場的大小即可獲知被測電流的大小。核磁共振是基于測量原子核核磁矩在磁場作進動的進動頻率，而對于某一物質(zhì)的原子核的旋磁比又為固定不變的常數(shù)，因此核磁共振法測量磁場是屬于絕對測量，核磁共振測磁場不需要定標(biāo)，只需依據(jù)共振磁強物質(zhì)的旋磁比和共振頻率便可算出磁感應(yīng)強度。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)相對成熟的磁場（或電流）檢測方法，此外，還有一些磁場檢測手段在科學(xué)研究中也得到了一定的實踐和發(fā)展，下面列舉了幾種典型的磁場測量原理和方法，同樣可能在電流檢測領(lǐng)域得到應(yīng)用[5459]。但是，從 1963 年美國制造出第一臺光電流傳感器“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)注的時期，但這一時期的光學(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期運行穩(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分量之間產(chǎn)生相位差，存在相位補償問題，而且多處采用光學(xué)膠粘合帶來運行穩(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。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。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]。當(dāng)光路為環(huán)繞電流導(dǎo)體的閉合路徑時，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 為被測電流。當(dāng)線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場的作用下通過磁光介質(zhì)時，其偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角 θ 可以表示為： 其中，181。因此，磁通門僅適用于近似于直流的穩(wěn)恒微弱電流測量，且只有在有限的動態(tài)范圍內(nèi)才能保證接近于1102級的精度。磁通門在弱磁場和小電流領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。由于鐵芯中磁感應(yīng)強度B 可近似于描述成磁場強度H 的一次函數(shù)和三次函數(shù)之和, 而檢測繞組上的感應(yīng)電壓正比于磁感應(yīng)強度對時間的變化，經(jīng)過系列推導(dǎo)，可以得到以下結(jié)論：檢測繞組的感應(yīng)電勢的幅值與被測電流產(chǎn)生的磁場強度 H0和激勵電流的頻率成正比，比例系數(shù)與激勵電流、鐵芯物理尺寸和繞線匝數(shù)有關(guān)。 磁通門電流傳感器當(dāng)圓環(huán)鐵芯中無電流通過時,由于兩激勵繞組匝數(shù)相等且反向串接, 鐵芯中產(chǎn)生的兩交變磁場的大小相等,方向相反, 此時檢測繞組上的輸出電勢為零。 下圖是采用磁通門測量毫安級電流的典型應(yīng)用，傳感器主要由軟磁材料坡莫合金鐵芯、兩個激勵繞組和兩個檢測繞組組成。 磁通門電流傳感器原理 1933 年，世界上出現(xiàn)了第一臺磁通門磁力儀，從此，磁通門作為一種簡單實用的弱磁場測量儀器受到了人們普遍的關(guān)注，1956 年我國從原蘇聯(lián)引入的磁通門航空磁力儀，靈敏度高達5nT ，近年來，我國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 1nT 以內(nèi)。 霍爾電流傳感器是一種典型的有源型電流檢測方法，適用于從直流到中頻段的任意波形電流的測量，在現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場，霍爾電流傳感器是數(shù)百安培以內(nèi)電流檢測的首選產(chǎn)品。穩(wěn)態(tài)下，平衡繞組與被測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)與被測電流繞線匝數(shù)的比值，通過檢測平衡繞組中的電流大小即可得到被測電流的大小。開環(huán)型霍爾電流傳感器往往精度不高，一般可達 102級，被測電流與互感器額定電流相比較小時，測量誤差會急劇增加，其主要原因是：由于鐵磁材料存在磁滯和損耗，當(dāng)被測電流在較大范圍內(nèi)變化時，氣隙中的磁感應(yīng)強度與電流之間的線性關(guān)系會發(fā)生一定變化，特別是較小電流時，這種偏差尤為明顯。開環(huán)型霍爾電流傳感器以鐵磁材料作為導(dǎo)磁體，而將霍爾元件放置在導(dǎo)磁體的氣隙中，很明顯，鐵磁部分磁阻遠遠小于氣隙的磁阻，在一定范圍內(nèi)，氣隙中的磁感應(yīng)強度與被測電流保持穩(wěn)定的線性關(guān)系，測量多個氣隙內(nèi)的磁感應(yīng)強度，結(jié)合氣隙鐵芯的傳感系數(shù)即可獲得被測電流的大小。霍爾元件是一種半導(dǎo)體器件，其溫度穩(wěn)定性和長期可靠性是阻礙霍爾電流傳感器應(yīng)用在高可靠性和高精度測量場合的主要因素之一，但是，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高度集成化，霍爾元件的線性度和穩(wěn)定性大幅度提高，霍爾電流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓寬?；魻栐直环Q作霍爾片，因為它是一種半導(dǎo)體薄片，作為一種技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的磁場檢測元件，霍爾元件是根據(jù)載流半導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生的霍爾電勢為基礎(chǔ)的，圖 所示為霍爾元件的基本傳感原理，是德國物理學(xué)家霍爾1879 年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的[2125]。 空芯線圈在交流電流的測量中擁有體積小、重量輕和價格低等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)暫態(tài)電流測量和工業(yè)脈沖大電流測量中有比較成熟和普遍的應(yīng)用，但是測量精度不高、難以大批量生產(chǎn)、不適合用于小電流測量等缺點在一定程度上阻礙了空芯線圈的大面積推廣。 空芯線圈和基于變壓器原理的交流電流互感器一樣，只能用來實現(xiàn)對交流電流的檢測，但是它們的傳感原理完全不同：交流電流互感器的二次輸出信號為電流，擁有一定的承擔(dān)負載的能力，其大小正比于被測電流的大小，其二次回路不能夠開路工作；空芯線圈的輸出信號為弱電壓信號，基本沒有承擔(dān)負載的能力，其大小正比于被測電流對時間的變化，其二次輸出一般處于開路工作狀態(tài)。 從上述的推導(dǎo)不難看出，理想的空芯線圈對電流的測量依賴于一個穩(wěn)定可靠的互感系數(shù)，將測得的感應(yīng)電勢進行積分處理并結(jié)合該空芯線圈的互感系數(shù)進行計算，即可得到被測電流的大小，積分環(huán)節(jié)可以采用模擬積分器或者數(shù)字積分器，所以，通常而言，空芯線圈是一種有源式電流檢測方法，但是，采用空芯線圈測量高頻電流時采用無源模擬積分器也是一種簡單有效的方式。 由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：當(dāng)穿過一定面積的線圈的磁通量發(fā)生變化時，該線圈上將感應(yīng)到一定大小的電壓，該電壓的方向與磁通量的變化方向有關(guān)，該感應(yīng)電壓的大小為d Φ /dt 。 空芯線圈尺寸結(jié)構(gòu)空芯線圈中的相對磁導(dǎo)率處處為1 ，所以距離中心軸為x 的任意一點的磁感應(yīng)強度B x 可表示為：其中，181?？招揪€圈往往采用將漆包線均勻的繞制在環(huán)形骨架上制成，骨架采用塑料或者陶瓷等非鐵磁材料，骨架的相對磁導(dǎo)率與空氣中的相對磁導(dǎo)率相同，這便是空芯線圈有別于帶鐵芯的交流電流互感器的一個顯著特征[1520]?？傮w而言，直流電流互感器的傳感原理簡單可靠，與基于變壓器原理的交流電流互感器一樣，其傳感系數(shù)僅僅與原副邊的匝數(shù)有關(guān)，長期可靠性和溫度穩(wěn)定性均有保障，因此，直流電流互感器是檢測直流大電流的一種有效手段，其缺點主