大電流測(cè)量概述

大電流測(cè)量概述1大電流測(cè)量概述1大電流測(cè)量概述1大電流測(cè)量方法概述著名科學(xué)家門捷列夫指出：科學(xué)是從測(cè)量開始的。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的推動(dòng)下,測(cè)量已經(jīng)成為了一門完整且十分重要的學(xué)科,測(cè)量的對(duì)象日趨豐富，涵蓋了絕大多數(shù)的物理量。電流在自然界中十分普遍，人類在對(duì)電現(xiàn)象本質(zhì)的探索中積累了測(cè)量電流的豐富經(jīng)驗(yàn)，特別是近幾十年以來(lái)，半導(dǎo)體器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，為了便于量化和計(jì)算，許多非電量被轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行間接測(cè)量,電流測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)中十分普遍同時(shí)非常重要.一、大電流測(cè)量方法簡(jiǎn)介對(duì)大電流的測(cè)量方法，就其原理而言可分為兩大類：一類是根據(jù)被測(cè)電流在已知電阻上的電壓來(lái)確定被鍘電流的大?。绶至髌鞯?。根據(jù)被測(cè)電流在已知電阻上的電壓來(lái)確定被測(cè)電流的太小，由于其體積、誤差、損耗、絕緣、測(cè)量范圍等方面的不足，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。另一類是根據(jù)被測(cè)電流所建立豹磁場(chǎng)為基礎(chǔ),實(shí)際上是將電流的測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)的測(cè)量問(wèn)題,通過(guò)一定的手段測(cè)量它的磁密、磁通或磁勢(shì),再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)得知電流的大小。從物理學(xué)角度來(lái)看磁場(chǎng)的測(cè)量方法主要有磁共振法、霍爾效應(yīng)法、電融感應(yīng)法、磁通門法、光泵法、磁光效應(yīng)法、磁膜剝磁法及超導(dǎo)量子干涉器件法等.此外．尚有一些未得到廣泛應(yīng)用的磁場(chǎng)測(cè)量方法．如磁阻效應(yīng)法、磁棒管法、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等。這些方法中大部分由于各種原困的限制無(wú)法應(yīng)用于測(cè)量電流的互感器，如設(shè)備造價(jià)太高、結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜等，也有些對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)有特殊的要求.所以實(shí)際上并不是所有的測(cè)量磁場(chǎng)的方法都可用于測(cè)量電流.現(xiàn)在人們比較關(guān)注的主要有霍爾效應(yīng)法、磁光效應(yīng)法及羅氏線圈?；魻栃?yīng)原理互感器有磁平衡式（閉環(huán))和直放式(開環(huán)）兩種，它于70年代由瑞士的LEM公司首先研制成功。其擁有帶寬為0—100kHz，響應(yīng)時(shí)間為1us．準(zhǔn)確度可以達(dá)到1～0。1級(jí)，線性度優(yōu)于0。1％等優(yōu)點(diǎn)。但是由于其本身受其制作材料的影響所產(chǎn)生的磁阻效應(yīng)、不等位電勢(shì)以及溫漂，影響了其在更大領(lǐng)域內(nèi)的推廣.采用磁光效應(yīng)原理制成的互感器叫光電互感器，它的基本原理是法拉第磁光效應(yīng),即通過(guò)偏振光在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)測(cè)量電流的大小。這種互感器的優(yōu)點(diǎn)是使用的光導(dǎo)材料具有良好的電隔離和絕緣性能．抗電磁干擾特性也根好。光電互感器遇到的問(wèn)題主要是準(zhǔn)確度較差、有震動(dòng)干擾等。羅氏線圈是測(cè)量各種變化電流的常用手段之一.它是根據(jù)被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁通勢(shì)來(lái)確定電流大小的測(cè)量裝置。在利用羅氏線圈進(jìn)行測(cè)量時(shí)．將線圈圍繞載有被測(cè)電流的導(dǎo)體，線圈兩端接上采樣電阻就可以測(cè)量變化的電流。因?yàn)樗缓F芯．所以理論上不存在磁飽和問(wèn)題，也不存在動(dòng)力和熱力的穩(wěn)定問(wèn)題,并且?guī)缀醪皇鼙粶y(cè)電流大小的限制．測(cè)量時(shí)也不需要斷開被測(cè)電路。但是受其本身材料的限制．線圈骨架和繞制的非均勻性將帶來(lái)根大的測(cè)量誤差，嚴(yán)重影響線圈的抗干擾能力；溫度將使線圈的骨架發(fā)生變化．從而引起線翻互感和自感系數(shù)變化，影響測(cè)量精度：輸出信號(hào)較弱，易受外界電磁場(chǎng)的干擾，這些因素都導(dǎo)致了它不能更廣泛的應(yīng)用。二、電流檢測(cè)方法及特點(diǎn)綜述本章以電流檢測(cè)原理為研究主線，簡(jiǎn)要介紹了分流器、鐵芯交流電流互感器、鐵芯直流電流互感器、空芯線圈、霍爾電流傳感器、磁通門電流傳感器、光學(xué)電流傳感器等常見(jiàn)的電流檢測(cè)原理和其它可用于電流測(cè)量的磁場(chǎng)檢測(cè)原理，分析了各種電流檢測(cè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了傳感原理相對(duì)簡(jiǎn)單的霍爾電流傳感器和空芯線圈存在的不足。1、分流器分流器是根據(jù)電流通過(guò)電阻時(shí)在電阻兩端產(chǎn)生電壓進(jìn)行電流測(cè)量。利用分流器測(cè)量電流時(shí)，是將電阻數(shù)值已知的分流器串聯(lián)在被測(cè)電路里，通過(guò)測(cè)量或者觀測(cè)分流器兩端的引出電壓，即可獲得被測(cè)電流的大小或波形。理想的制造分流器的材料必須擁有較好的散熱性能,材料的電阻率必須擁有極高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠的溫度穩(wěn)定性，制造分流器的材料有多種,比較常用的有康銅和錳銅等合金金屬，近來(lái)以來(lái)也有新的材料被報(bào)道采用。分流器的原理簡(jiǎn)單，在低頻率小幅值電流測(cè)量中，表現(xiàn)出極高的精度和較快的響應(yīng)速度。工業(yè)領(lǐng)域中，在不涉及到測(cè)量回路與被測(cè)電流之間電隔離的場(chǎng)合，分流器是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的首選方案。分流器應(yīng)用在大幅值高頻率的電流測(cè)量中，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。隨著被測(cè)電流的增大,分流器的發(fā)熱急劇增加，為了保證分流器的正常工作,分流器的尺寸、重量和造價(jià)不可避免的急劇增加，一定程度上限制了分流器在大電流工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用;另一方面，當(dāng)分流器用于測(cè)量快速變化的電流或者脈沖電流時(shí)，分流器的電感分量不再可以忽略不計(jì)，同時(shí)，由于集膚效應(yīng)的存在，使得分流器中的電流分布非均勻化，分流器輸出端的電壓發(fā)生時(shí)移，測(cè)量的精度將大打折扣。近些年以來(lái)，許多科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)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(cè)量電流中受到電磁力和熱應(yīng)力的影響程度。派克(Park）、亨姆斯(Hains)和伯奈特（Bennett）等對(duì)分流器的模型進(jìn)行了嚴(yán)格的理論分析，求解了同軸分流器在多種頻率電流作用下的電流和電壓分布，并提出了各種補(bǔ)償方法,使得分流器電位輸出端的電壓更接近于理想的階躍函數(shù)（當(dāng)引入分流器的被測(cè)電流為階躍函數(shù)時(shí)）.無(wú)論采用多么高深而巧妙的設(shè)計(jì)方法和補(bǔ)償措施，分流器的發(fā)熱問(wèn)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(cè)量高于數(shù)十千安的電流,或者采用分流器測(cè)量數(shù)百千赫茲甚至階躍電流，都是不合適的.2、電流互感器變壓器是人們?cè)?9世紀(jì)中對(duì)電與磁關(guān)系探索過(guò)程中的杰出成就之一，從領(lǐng)頭巨人法拉第(Farady)和亨利（Henry),到第一次提出“Transformer”(變壓器）這一概念的布拉什（Blathy），人類進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)五十多年的探索。1886年，美國(guó)科學(xué)家威斯金豪斯(Wisgenhouse）使用變壓器作為交流輸配電成功，掀開了人類利用電能的新篇章。隨著發(fā)電、輸電和配電的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)輸電線電流的檢測(cè)顯得十分重要和迫切，基于變壓器原理的用以測(cè)量交流電流的互感器在更多學(xué)者的不斷實(shí)踐中出現(xiàn)了。交流電流互感器的典型結(jié)構(gòu)與普通變壓器極其相似(如下圖所示)，它包括一個(gè)閉合鐵芯和兩個(gè)繞組，在理想的情況下，如果忽略激磁電流，則原副邊繞組的磁通勢(shì)是相互平衡的，即：（1—1）其中,I1為被測(cè)電流，I2為副邊電流，w1和w2分別為原副邊的繞線匝數(shù).對(duì)于一個(gè)電流互感器,原副邊繞組的匝數(shù)是已知且固定的，通過(guò)測(cè)量副邊電流即可測(cè)量原邊被測(cè)電流的大小.電流互感器有兩個(gè)作用：一是通過(guò)測(cè)量較小的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)較大電流的測(cè)量；二是實(shí)現(xiàn)測(cè)量回路與被測(cè)回路之間的電氣絕緣，避免了測(cè)量回路與一次電流之間的直接電連接.交流電流互感器的傳感原理簡(jiǎn)單，精度較高，其變比僅僅與原副邊繞線的匝數(shù)有關(guān)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性有保障，因此,交流電流互感器在電力系統(tǒng)中得到了極廣的運(yùn)用。近些年來(lái)，軟磁材料的發(fā)展日新月異，性能優(yōu)越的坡莫合金、納米合金以及非晶合金等新型鐵磁材料不斷涌現(xiàn)，使得互感器的性能得到極大改善，精度不斷提高(可高達(dá)10—4級(jí)），體積、重量和價(jià)格有所優(yōu)化，與此同時(shí)，人們?cè)趥鹘y(tǒng)電流互感器的基礎(chǔ)之上，采取了許多改進(jìn)措施以進(jìn)一步提高電流互感器的精度，例如基于零磁通原理的電流互感器，精度可達(dá)到10—5級(jí)甚至更高.雖然交流電流互感器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)交流電流的檢測(cè)中十分普及,但是交流電流互感器的變壓器原理決定了其難以從根本上擺脫以下方面的缺陷：交流電流互感器僅適用于數(shù)千安培以內(nèi)的交流電流測(cè)量，被測(cè)電流過(guò)大，則互感器的激磁電流不再可以忽略不計(jì),過(guò)大的激磁電流使鐵芯工作在飽和區(qū)，互感器的測(cè)量誤差將急劇增大；交流電流互感器比較適用于電網(wǎng)工作頻率附近頻段的電流測(cè)量，不可用于過(guò)高或者過(guò)低頻率電流的測(cè)量；被測(cè)電流中存在暫態(tài)直流分量時(shí)，鐵芯將進(jìn)入飽和區(qū)域，互感器的測(cè)量精度將急劇惡化。直流電流互感器直流電流互感器利用被測(cè)直流改變帶有鐵芯扼制線圈的感抗，間接的改變輔助交流電路的電流，從而來(lái)反映被測(cè)電流的大小。直流電流互感器是德國(guó)科學(xué)家克萊麥爾(Cr?mar）教授在1936年研制成功的，是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的直流電流檢測(cè)手段。直流電流互感器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示，它由兩個(gè)相同的閉合鐵芯組成，每個(gè)鐵芯上都有兩個(gè)繞組:原邊繞組和副邊繞組。原邊繞組串聯(lián)接入被測(cè)電路,副邊繞組反向串聯(lián)連接到輔助交流電路里.假定鐵芯具有理想的磁特性曲線，即鐵芯不存在損耗,原邊繞組和副邊繞組均勻的分布在鐵芯上，即鐵芯被均勻的磁化，副邊繞組內(nèi)阻相對(duì)于副邊繞組自感系數(shù)可忽略，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，直流電流互感器的副邊電流為方波電流，其頻率與電壓激勵(lì)源的頻率相等，其幅值滿足下列關(guān)系式：（1?2）在實(shí)際情況下，任何軟磁材料的磁化特性與理想的無(wú)損耗鐵磁材料都相去甚遠(yuǎn)，因此直流電流互感器存在較大的誤差,其精度一般在5×10-3，特別是當(dāng)被測(cè)電流相對(duì)互感器的額定電流較小時(shí),誤差更大，此外，易受外磁場(chǎng)的影響也是直流電流互感器難以克服的另一缺陷。雖然直流電流互感器在精度和抗干擾上存在一些缺陷，但是與直流電流測(cè)量的另一種有效方式分流器相比,直流電流互感器能夠有效實(shí)現(xiàn)原邊與副邊的電氣隔離,功率消耗小且穩(wěn)定可靠，同時(shí)，副邊能夠承擔(dān)一定負(fù)載，所以,目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用直流電流互感器測(cè)量直流電流仍然比較普遍，特別是經(jīng)過(guò)很多學(xué)者的不斷改進(jìn)，直流電流互感器的性能有了較大的提升.1976年，加拿大科學(xué)家麥克馬爾登(MacMartin）研制出了一種新的補(bǔ)償式直流互感器，補(bǔ)償直流電流由晶體管提供,通過(guò)反饋電路控制晶體管的直流電流來(lái)補(bǔ)償被測(cè)電流的部分磁通勢(shì)，大大的提高了直流電流互感器的精度，可高達(dá)1×10-4。晶體管的驅(qū)動(dòng)能力畢竟有限，為了消除外磁場(chǎng)對(duì)100千安以上大型直流電流互感器的影響并提高測(cè)量精度,德國(guó)科學(xué)家克萊麥爾（Cr?mar)提出了全補(bǔ)償式直流電流互感器，采用鐵磁材料將互感器屏蔽，并采用磁放大器自動(dòng)加以控制補(bǔ)償繞組的電流，克萊麥爾提出的全補(bǔ)償型直流電流互感器實(shí)質(zhì)上是直流比較儀的雛形，直流比較儀是一種十分有效的測(cè)量直流大電流的手段，精度可高達(dá)10—5級(jí)。國(guó)內(nèi)從事直流電流互感器研究的機(jī)構(gòu)以華中科技大學(xué)電氣學(xué)院代表，任士焱教授領(lǐng)導(dǎo)的直流大電流實(shí)驗(yàn)室制作了用于在線校驗(yàn)和測(cè)量的320kA高精度磁調(diào)制型直流電流比較儀，其性能達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。總體而言，直流電流互感器的傳感原理簡(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)直流大電流的一種有效手段，其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在體積較大、價(jià)格較高、需要外界電源的支持等方面。4、空芯線圈空芯線圈通常被稱為Rogowski線圈,因?yàn)樗怯啥韲?guó)科學(xué)家Rogowski在1912年發(fā)明的?？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(duì)磁導(dǎo)率與空氣中的相對(duì)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(gè)顯著特征?？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(guò)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(guò)線圈的中心軸。理想的空芯線圈對(duì)電流的測(cè)量依賴于一個(gè)穩(wěn)定可靠的互感系數(shù)，將測(cè)得的感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行積分處理并結(jié)合該空芯線圈的互感系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即可得到被測(cè)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(cè)方法，但是，采用空芯線圈測(cè)量高頻電流時(shí)采用無(wú)源模擬積分器也是一種簡(jiǎn)單有效的方式。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(gè)近似于線積分的效果,而不是簡(jiǎn)單的多匝線圈的直接累加，當(dāng)繞線無(wú)限密集均勻時(shí),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(shì)的大小不會(huì)因?yàn)檩d流母線形狀的改變而發(fā)生改變，感應(yīng)電勢(shì)也不會(huì)因?yàn)榭招揪€圈與載流母線的相對(duì)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(guò)時(shí)，無(wú)限密集的二次繞線上的感應(yīng)電勢(shì)相互抵消，最終感應(yīng)到的感應(yīng)電勢(shì)與外界的干擾電流（或磁場(chǎng)）無(wú)關(guān),從而保證了空芯線圈測(cè)量窗內(nèi)電流的準(zhǔn)確性和可靠性.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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流的檢測(cè)，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(hào)為電流，擁有一定的承擔(dān)負(fù)載的能力，其大小正比于被測(cè)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(hào)為弱電壓信號(hào)，基本沒(méi)有承擔(dān)負(fù)載的能力，其大小正比于被測(cè)電流對(duì)時(shí)間的變化，其二次輸出一般處于開路工作狀態(tài).空芯線圈不含有鐵芯，骨架中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測(cè)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(wèn)題，而且，一定頻率下,空芯線圈的輸出電壓信號(hào)隨被測(cè)電流的增加而增加,對(duì)感應(yīng)電勢(shì)的處理和檢測(cè)更為容易，所以，空芯線圈在大電流或高頻率電流測(cè)量中有著先天的優(yōu)勢(shì)。空芯線圈在交流電流的測(cè)量中擁有體積小、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)暫態(tài)電流測(cè)量和工業(yè)脈沖大電流測(cè)量中有比較成熟和普遍的應(yīng)用,但是測(cè)量精度不高、難以大批量生產(chǎn)、不適合用于小電流測(cè)量等缺點(diǎn)在一定程度上阻礙了空芯線圈的大面積推廣。5、霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器是一種常用的電流測(cè)量裝置，它采用霍爾元件作為傳感單元，通過(guò)被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量.霍爾元件又被稱作霍爾片，因?yàn)樗且环N半導(dǎo)體薄片，作為一種技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的磁場(chǎng)檢測(cè)元件，霍爾元件是根據(jù)載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)為基礎(chǔ)的，圖1。4所示為霍爾元件的基本傳感原理，是德國(guó)物理學(xué)家霍爾1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的.半導(dǎo)體薄片的橫向方向通過(guò)電流Ic，在垂直于薄片的磁場(chǎng)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(chǎng)被稱作霍爾電場(chǎng)，它們之間的電勢(shì)差被稱作霍爾電勢(shì)，霍爾電勢(shì)與電流Ic和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比?；魻栐且环N半導(dǎo)體器件，其溫度穩(wěn)定性和長(zhǎng)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(cè)量場(chǎng)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（具體情況在后文中具體闡述），霍爾電流傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。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.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(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣隙的磁阻，在一定范圍內(nèi),氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測(cè)電流保持穩(wěn)定的線性關(guān)系,測(cè)量多個(gè)氣隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,結(jié)合氣隙鐵芯的傳感系數(shù)即可獲得被測(cè)電流的大小。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(cè)電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；消除外界電流或磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)，從而使得傳感器的總霍爾電勢(shì)對(duì)外界磁場(chǎng)或電流的感應(yīng)為零。開環(huán)型霍爾電流傳感器往往精度不高，一般可達(dá)10—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(guò)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(guò)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)10—3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?；魻栯娏鱾鞲衅魇且环N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，但是它們都帶有鐵芯，動(dòng)態(tài)范圍有限，且應(yīng)用在大電流測(cè)量的場(chǎng)合存在體積大、重量重的缺點(diǎn)，所以，霍爾電流傳感器的發(fā)展方向是在保證甚至提高穩(wěn)定性和精度的基礎(chǔ)上減小其體積、重量和造價(jià)。6、磁通門電流傳感器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(lái)，我國(guó)自行研制在南極站上使用的CTM2302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(guò)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（或者納米晶等其他高初始磁導(dǎo)率軟磁材料）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。當(dāng)圓環(huán)鐵芯中無(wú)電流通過(guò)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(guò)時(shí)，由I0產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)H0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(guò)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.磁通門在弱磁場(chǎng)和小電流領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景，近年來(lái)有相關(guān)的采用PCB技術(shù)實(shí)現(xiàn)微型磁通門批量生產(chǎn)和應(yīng)用的報(bào)道。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1×10-2級(jí)的精度.7、光學(xué)電流傳感器光學(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。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(guò)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：（1-7)其中，μ為法拉第磁光材料的磁導(dǎo)率；V為磁光材料的Verdet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(guò)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：（1—8）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(guò)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.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(guò)測(cè)量光纖中偏振光的旋轉(zhuǎn)角來(lái)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(guò)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(guò)測(cè)量磁環(huán)缺口中的磁場(chǎng)來(lái)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(1-8）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（1-7）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(guò)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(wèn)題比較嚴(yán)重；塊狀光學(xué)電流傳感器要通過(guò)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(wèn)題，而且多處采用光學(xué)膠粘合帶來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)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。我國(guó)的清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)等多家科研院所對(duì)傳感器光學(xué)電流進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20多年的研究，但測(cè)量精度有限（一般為5×10—3級(jí)）、穩(wěn)定性差、實(shí)用化困難。本世紀(jì)以來(lái)，光學(xué)電流互感器的研究呈現(xiàn)全球化、多類型、多用途的發(fā)展趨勢(shì)，特別是數(shù)字化變電站規(guī)約IEC-61850的出臺(tái)，為電子式互感器創(chuàng)造了美好的前景，光學(xué)電流傳感器作為最理想的電流檢測(cè)方案迎來(lái)了又一次的研究熱潮。其他電流傳感器電流和磁場(chǎng)有著非常密切的聯(lián)系，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)來(lái)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(jiàn)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。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