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磁通门传感器测大电流Flux-gate sensor for high-current measurement 杨 真 微纳科学技术研究院 2010.4.18-4.29 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) 电流传感技术的基本原理 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 基于电阻欧姆定律的电流传感技术 A.罗氏线圈(Rogowski coil):线圈缠绕在非磁磁芯上,通过罗氏线圈的电流产生了一个电压,该电压与电流变化率以及线圈与导体之间的互感系数成正比。所测电流正比于该电压的一个积分值。 B.电流转换感(Current transformer):仅仅使用于交流电的测量,该方法简单,稳定性好。它含有一个环状铁心,次级线圈缠绕在铁心上,流经导体的电流的测量实际上就变成了测量初级线圈上电流。 基于法拉第电磁感应定律的电流传感技术 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) 基于磁场传感器的电流传感技术 以上部分常见电流传感检测方法的比较 光纤技术(fiber-optical techniques):新兴的技术,较传统技术价格 较高 A.偏光检测方法(Polarmeter detection method):直接利用法拉第效应检测电流。 B.干涉仪检测方法(Interferometer detection method) 基于法拉第效应的电流传感技术 不同电流传感技术检测电流的性能比较 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。 磁通门传感器测电流:基于检测磁电路的饱和状态。 磁芯用高磁导率材料制成,专注于被测的磁场。 用一个信号激发磁性材料,外部磁场引起磁性材料对称饱和。这种对称随外磁场的消失而消失。附加线圈的电流引起了一个补偿磁场,该磁场恢复了磁滞循环的对称。所加电流补偿了被测电流所产生的磁场,它的电压值与这个电流成正比。 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 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
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