【正文】 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(dá) 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(dá) 1nT 以內(nèi)。 霍爾電流傳感器 霍爾電流傳感器是一種常用的電流測量裝置，它采用霍爾元件作為傳感單元，通過被測電流產(chǎn)生的磁場的大小來實現(xiàn)對電流的測量?；魻栐且环N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(jìn)一步拓寬。開環(huán)型霍爾電流傳感器簡單，閉環(huán)型霍爾電流傳感器精度較高。1．3 本文主要任務(wù)本設(shè)計主要任務(wù)：針對特種大功率用電設(shè)備，設(shè)計非接觸電流測量裝置，為掌握用電設(shè)備電流以及功耗變化提供基礎(chǔ)條件。系統(tǒng)技術(shù)要求如下：3個電流測量通道；滿量程的1%的電流測量精度；電流測量范圍為2A～100A；電流屬性為直流。2直流檢測的主要原理對直流電流的測量方法，就其原理而言可分為兩大類：一類是根據(jù)被測電流在已知電阻上的電壓來確定被測電流的大小，如分流器等；另一類是根據(jù)被測電流所建立的磁場為基礎(chǔ)，實際上是將電流的測量問題轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌龅臏y量問題，通過一定的手段測量它的磁密、磁通或磁勢，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換得知電流的大小。 根據(jù)被測電流所建立的磁場來測量電流的方法，不僅種類繁多，而且應(yīng)用也十分廣泛。此外，還有一些未得到廣泛應(yīng)用的磁場測量方法，如磁阻效應(yīng)法、磁控管法、磁敏二極管法、短脈沖放電法、半導(dǎo)體負(fù)荷濃度效應(yīng)法、電子束法、陰極射線法和電子回旋共振法等。本章將就目前測量領(lǐng)域研究的幾種主要測量原理逐一予以簡單的說明，并分析了它們的優(yōu)缺點。利用分流器測量電流時，是將電阻數(shù)值已知的分流器串聯(lián)在被測電路里，通過測量或者觀測分流器兩端的引出電壓，即可獲得被測電流的大小或波形[15]。 分流器的原理簡單，在低頻率小幅值電流測量中，表現(xiàn)出極高的精度和較快的響應(yīng)速度。 分流器應(yīng)用在大幅值高頻率的電流測量中，會產(chǎn)生較大的誤差。 近些年以來，許多科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究工作，對分流器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和改進(jìn)，其目的主要是減小分流器在測量電流中受到電磁力和熱應(yīng)力的影響程度。 [7]~[8]無論采用多么高深而巧妙的設(shè)計方法和補(bǔ)償措施，分流器的發(fā)熱問題和頻率特性不可能得到本質(zhì)上的改善，如果采用分流器測量高于數(shù)十千安的電流，或者采用分流器測量數(shù)百千赫茲甚至階躍電流，都是不合適的。 直流電流互感器通常是由兩個相同的閉合鐵芯所組成，在每個鐵芯上有兩個繞組：原方繞組和副方繞組。由于副方繞組接法的不同，這兩種互感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性有很大差別，用途也各不相同。 直流電流互感器原理圖對于直流電流的測量，現(xiàn)在大都采用補(bǔ)償式直流互感器。采用這種補(bǔ)償辦法，對于同樣大小的鐵芯來說，既可提高被測電流的額定值，又可以降低互感器的誤差。 對于100kA 以上的大型直流互感器，為了消除外磁場的影響，也可采用全補(bǔ)償式直流互感器，用鐵磁材料加以屏蔽。這種全補(bǔ)償式直流互感器實際上是一種直流比較儀，這部分內(nèi)容放在后面直流比較儀一節(jié)加以討論。這種測量裝置的特點是性能穩(wěn)定，與分流器相比，功率消耗小，能承受較大的負(fù)載。 所示，這在量程 50%以下難以滿足準(zhǔn)確度的要求，且一次電流通入時要求方向正確，否則二次側(cè)將輸出錯誤的數(shù)值，故只適合于在工業(yè)測量中使用。前蘇聯(lián)的一臺100~200kA 直流電流測量裝置，其線圈為框形，有 4 匝和8 匝兩種，每個線匝可拆開，其匝數(shù)也可根據(jù)需要加以改變。 空芯線圈傳感原理空芯線圈通常被稱為 Rogowski線圈，因為它是由俄國科學(xué)家Rogowski在1912年發(fā)明的?？招揪€圈的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示，圓柱形載流導(dǎo)線穿過空芯線圈的中心，兩者的中心軸重合，空芯線圈上的漆包線繞組均勻分布，且每匝線圈所在的平面穿過線圈的中心軸，下面是空芯線圈傳感原理的基本推導(dǎo)。0 為真空中的磁導(dǎo)率， I(t)為載流導(dǎo)線上的被測電流。 以上圖所示結(jié)構(gòu)的空芯線圈為例，其骨架截面為矩形，單匝線圈上的磁通量的和可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： 上式中，a 和b 為骨架的內(nèi)半徑和外半徑，w 為空芯線圈的厚度，空芯線圈的繞線匝數(shù)為 N ，則空芯線圈的感應(yīng)電壓 e 可用下面的公式進(jìn)行表示，M 被稱作空芯線圈的互感系數(shù)。將空芯線圈的二次繞線均勻的布置，是將N 匝線圈構(gòu)成一個近似于線積分的效果，而不是簡單的多匝線圈的直接累加，當(dāng)繞線無限密集均勻時，從數(shù)學(xué)上可以證明，理想空芯線圈的互感系數(shù)非常穩(wěn)定，感應(yīng)電勢的大小不會因為載流母線形狀的改變而發(fā)生改變，感應(yīng)電勢也不會因為空芯線圈與載流母線的相對位置的改變而發(fā)生變化，更為重要的是，當(dāng)有電流從空芯線圈的窗外穿過時，無限密集的二次繞線上的感應(yīng)電勢相互抵消，最終感應(yīng)到的感應(yīng)電勢與外界的干擾電流（或磁場）無關(guān)，從而保證了空芯線圈測量窗內(nèi)電流的準(zhǔn)確性和可靠性。空芯線圈不含有鐵芯，骨架中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測電流可始終保持線性關(guān)系，所以空芯線圈不存在磁飽和問題，而且，一定頻率下，空芯線圈的輸出電壓信號隨被測電流的增加而增加，對感應(yīng)電勢的處理和檢測更為容易，所以，空芯線圈在大電流或高頻率電流測量中有著先天的優(yōu)勢。 霍爾電流傳感器 霍爾電流傳感器是一種常用的電流測量裝置，它采用霍爾元件作為傳感單元，通過被測電流產(chǎn)生的磁場的大小來實現(xiàn)對電流的測量。半導(dǎo)體薄片的橫向方向通過電流Ic ，在垂直于薄片的磁場B 作用下，載流子由于受到洛侖茲（Lorentz）力的作用，在縱向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在薄片的上下兩端不斷積累，其中一邊累積正電荷，另一邊累積負(fù)電荷，正負(fù)電荷之間的電場被稱作霍爾電場，它們之間的電勢差被稱作霍爾電勢，霍爾電勢與電流Ic 和磁感應(yīng)強(qiáng)度B 成正比。 霍爾元件的傳感原理從傳感原理上可將霍爾電流傳感器分為開環(huán)型霍爾電流傳感器和閉環(huán)型霍爾電流傳感器。采用鐵磁材料聚磁的主要作用有二：起到聚磁的作用，增強(qiáng)被測電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；消除外界電流或磁場對開環(huán)型電流傳感器的影響，分段開氣隙的鐵磁材料可有效屏蔽外界磁場，從而使得傳感器的總霍爾電勢對外界磁場或電流的感應(yīng)為零。 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平衡繞組，其次霍爾元件不再用以直接檢測電流的大小，而作為一個剩余磁通檢測單元，霍爾元件的輸出霍爾電勢控制驅(qū)動一定大小的電流通過平衡繞組。閉環(huán)型電流傳感器穩(wěn)定可靠，精度可高達(dá) 103級甚至更高，但是，平衡電路的驅(qū)動能力有限，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。開環(huán)型霍爾電流傳感器簡單，閉環(huán)型霍爾電流傳感器精度較高。磁通門能夠準(zhǔn)確的檢測磁場，自然能夠?qū)崿F(xiàn)電流測量，但是由于磁通門能夠檢測的最大磁場不過數(shù)十高斯，所以磁通門在電流測量中對象僅僅限于微弱電流。兩個激勵繞組均勻?qū)ΨQ的繞在鐵芯上且反向串聯(lián)，匝數(shù)亦相等的檢測繞組均勻?qū)ΨQ的繞制在激勵繞組上且方向一致，激勵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，檢測繞組獲取的感應(yīng)電勢與被測電流存在一定的線性關(guān)系。當(dāng)圓環(huán)鐵芯中有電流I0通過時,由I0產(chǎn)生的直流磁場H 0疊加在上述兩交變磁場Hc之上 , 由于激勵繞組反向串接 , 一個激勵繞組的勵磁作用加強(qiáng), 磁場強(qiáng)度為(Hc+H0)，另一個激勵繞組的勵磁作用減弱, 磁場強(qiáng)度為 (Hc H0)。為了提高精度，往往對感應(yīng)電勢進(jìn)行二次諧波分量（相對于激勵電流的頻率）進(jìn)行提取分析，為了提高磁通門的靈敏度，提高激勵電流的頻率和增大鐵芯的截面積是簡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)和信號處理電路設(shè)計在文獻(xiàn)[2630] 中有詳細(xì)描述。磁通門能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測量的前提是：待檢測的磁場強(qiáng)度 H0與激勵磁場強(qiáng)度Hc相比很小甚至可近似忽略。 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]。 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、外界溫度等有關(guān)；H 為作用于磁光材料的磁場強(qiáng)度； L 為通過磁光材料的偏振光的光程長度。通過測量偏轉(zhuǎn)角θ的大小，即可得到被測電流的大小，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。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，通過測量光纖中偏振光的旋轉(zhuǎn)角來間接測量電流；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，被測線路置于磁環(huán)的中央，通過測量磁環(huán)缺口中的磁場來間接測量線路中的電流，這種結(jié)構(gòu)被稱為集磁環(huán)式光學(xué)電流傳感器（也被稱為點式光學(xué)電流傳感器）。 光學(xué)電流傳感器有著非常突出的優(yōu)點：絕緣造價低，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