電流傳感器有多種類(lèi)型，如霍爾傳感器、電子式互感器、磁通門(mén)電流傳感器等。目前電流傳感器多是以電磁耦合為基本工作原理的，而磁通門(mén)電流傳感器是一種是以磁通門(mén)技術(shù)為基本原理，加上閉環(huán)控制在電子電路中的應用，下面本文就對磁通門(mén)電流傳感器的原理及構成等進(jìn)行介紹。

一磁通門(mén)原理

　　磁通門(mén)傳感器是利用被測磁場(chǎng)中高導磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場(chǎng)強度的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)測量弱磁場(chǎng)的。這種物理現象對被測環(huán)境磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)好像是一道“門(mén)”，通過(guò)這道“門(mén)”，相應的磁通量即被調制，并產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。利用這種現象來(lái)測量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而間接的達到測量電流的目的。目前磁通門(mén)技術(shù)是高性能電流傳感器最好的解決方案，銀河電氣是國內最早進(jìn)行這方面研究的企業(yè)，其研制的同時(shí)基于磁調制和磁平衡原理的CS系列零磁通電流傳感器在市場(chǎng)上已經(jīng)得到了非常好應用。

二磁通門(mén)電流傳感器構成及工作原理

01磁通門(mén)電流傳感器工作原理

圖1：磁通門(mén)繞組結構圖

　　下面本文以結構簡(jiǎn)單并且應用較廣泛的一種單繞組磁通門(mén)進(jìn)行介紹。如圖1所示：環(huán)形磁芯上繞有線(xiàn)圈，此繞組即作為激勵繞組又作為測量繞組，所測電流從磁環(huán)中間穿過(guò)。

圖2：普通磁環(huán)B—H曲線(xiàn)

　　一般磁性材料都有S形狀曲線(xiàn)的特性，稱(chēng)之為磁滯回路(hysteresis loop)，如圖2所示。此磁滯回路曲線(xiàn)建立在B—H的坐標軸上，為磁性材料遭受完全磁化與非磁化周期，圖示為典型磁滯曲線(xiàn)的鐵心，如果曲線(xiàn)由a點(diǎn)開(kāi)始，此點(diǎn)表示最大正磁化力，至b點(diǎn)磁化力為零，然后下降至c點(diǎn)為最大負磁化力，再至d點(diǎn)磁化力為零，最后返回最大正磁化力的a點(diǎn)，此即為整個(gè)磁性周期。高導磁率、低矯頑力磁芯的磁滯回線(xiàn)如圖3所示。

圖3：高u磁環(huán)的B—H曲線(xiàn)

　　當我們在磁環(huán)導線(xiàn)中加入電流分量后，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì )使原本對稱(chēng)的B-H磁滯回線(xiàn)會(huì )改變中心線(xiàn)變成如圖4所示形狀。

圖4：加入直流的高u磁環(huán)B—H曲線(xiàn)

　　假設激勵磁場(chǎng)強度為：Hmcosωt，就能得到磁通門(mén)磁芯上的總磁場(chǎng)強度為：

……1

　　式中：

　　H 0——為導線(xiàn)電流在環(huán)形磁芯上的磁場(chǎng)強度；

　　H m——為激勵磁場(chǎng)強度幅值；

　　ω——為激勵場(chǎng)角頻率。

　　則線(xiàn)圈中的感應電動(dòng)勢：

……2

　　式中：

　　N——為繞組線(xiàn)圈匝數；

　　S——為環(huán)形磁芯的截面積；

　　uTd——為磁芯物質(zhì)的微分磁導率。

　　根據磁飽和特性，當H0 =0時(shí)，H(t)= Hm cosωt，在磁飽和作用下磁感應強度為：

……3

　　式中：Ba為磁化曲線(xiàn)飽和段延長(cháng)線(xiàn)在B 軸上的截距，顯然，B(t)是對時(shí)間軸上下對稱(chēng)的平頂波，根據傅里葉級數分析，它只含奇次諧波不含偶次諧波。

　　當外磁場(chǎng)H0≠0時(shí)，H(t)= H0+Hm cosωt，B(t)的表達式為：

……4

　　這時(shí)，B(t)成為上下不對稱(chēng)的平頂波，根據傅里葉級數分析可知，它不僅含有奇次諧波還含有偶次諧波。而由式2可知，E(t)和B(t)應含有相似的波形成分，因此，可以根據E(t)在激勵周期內的振幅的上下不對稱(chēng)來(lái)檢測外電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)B0，從而達到測量電流的目的。

　　整個(gè)過(guò)程可以概括為：當磁通門(mén)式電流傳感器工作時(shí)，激勵線(xiàn)圈中加載一固定頻率、固定波形的交變電流進(jìn)行激勵，使磁芯往復磁化達到飽和。在不存在外在電流所產(chǎn)生的被測磁場(chǎng)時(shí)，則檢測線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢只含有激勵波形的奇次諧波，波形正負上下對稱(chēng)。當存在直流外在被測磁場(chǎng)時(shí)，則磁芯中同時(shí)存在直流磁場(chǎng)

　　和激勵交變磁場(chǎng)，直流被測磁場(chǎng)在前半周期內促使激勵場(chǎng)使磁芯提前達到飽和，而在另外半個(gè)周期內使磁芯延遲飽和。因此，造成激勵周期內正負半周不對稱(chēng)，從而使輸出電壓曲線(xiàn)中出現振幅差。該振幅差與被測電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)成正比，因此可以利用振幅差來(lái)檢測磁環(huán)中所通過(guò)的電流。

02磁通門(mén)電流傳感器的系統構成

圖5：磁通門(mén)電流傳感器系統構成框圖

　　電流傳感器的系統框圖5所示。電流所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)在磁通門(mén)探頭內經(jīng)激勵信號調制后，通過(guò)峰值檢波和積分濾波電路產(chǎn)生有用的電壓信號，然后經(jīng)過(guò)反饋，使電流傳感器工作在零磁通狀態(tài)。

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