科学瞎想系列之五十三 电流传感器(3)

前面两期的瞎想宝宝们知道了电流互感器和分流器以其低廉的价格、优异的可靠性在电力系统和各种稳态检测场合得到了广泛应用。但它们也各自存在着先天的不足。互感器存在着瞬态性能欠佳,分流器存在着不能与一次回路电气隔离等缺点,因此它们很少被用作自动控制里的实时检测以及瞬态检测场合。另外从技术角度来看,虽然老师都把它们说出花来了,但它们毕竟原理简单,在老师看来,这两种传感器没有太大的技术含量,算不上多么高大上的东东,今天老师就给宝宝们说点高大上的电流传感器-----霍尔传感器和罗氏线圈传感器。

1 霍尔传感器

1.1 霍尔效应

霍尔电流传感器是根据霍尔效应的原理制成的,因此在说霍尔传感器前先给宝宝们科普一下霍尔效应的有关知识。霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是一个叫霍尔(A.H.Hall)的美国大爷于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时,形成电流的导电粒子就会受到洛仑兹力的作用而发生偏转,这样在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体垂直与电流和磁场的两个端面上产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差(或称霍尔电压)。霍尔电压的大小与所处磁场的磁感应强度成正比,方向可以利用判断洛仑兹力的左手定则来判断。后来人们发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多。由于霍尔电压与所处磁场的强度成正比,于是人们就用半导体材料制造出检测磁场的敏感器件,宝宝们经常用在永磁电机中检测转子位置的霍尔传感器就是利用这个原理实现位置检测的。另外磁流体发电装置也是利用这个原理研制的。由此可见,霍尔元件其实并不是用来做电流敏感元件的,而是一种磁敏元件,用来检测磁场的,那么如何用它来检测电流呢?别急,老师马上就给宝宝们讲。

1.2 霍尔传感器在电流检测中的应用

刚才说了,霍尔传感器是一种磁敏元件,是用来感知磁场的。宝宝们知道,电能生磁,如果把被测电流线性地转换成磁场,再让霍尔元件感知岂不就能用霍尔元件来检测电流了吗?而电流转换成磁场那简直太容易了!于是我们就像普通的电流互感器一样做一个环形的铁心,使被测导体穿过其窗口,那么被测电流就会在铁心中激励出磁场,而且在磁路不饱和的情况下,磁场的大小与被测电流成正比。与普通互感器不同的是,在平行于铁心截面上开一个很小的气隙,将霍尔元件塞入到气隙中用来感知磁路中的磁场即可。这样霍尔元件感知到的磁场与被测电流成线性关系,从而得到了被测电流的信息(见上图)。以上是霍尔元件在电流检测中应用的一种形式,这种形式是直接感知被测电流产生的磁场,从而得到被测电流信息,这种形式叫做开环检测形式,它的优点是无需副边线圈,信号生成的环节少,信号处理简单,瞬态跟随性好。但它也有一个致命的缺点,那就是磁路饱和的问题,由于磁路中的磁场只有被测电流激励产生,当被测电流很大时,磁路就会发生饱和,失去了与被测电流的线性关系,从而导致检测信号失真,精度下降,因此这种方式限制了被测电流的检测范围。于是人们就又想出了另一种检测方式,即闭环检测方式(见下图)。这种方式是和普通互感器一样,在环形铁心上绕上副边线圈,检测时通过外接电源实时往副边线圈内灌入电流,且使副边电流产生的磁势与原边被测电流磁势相反,以抵消原边磁势,通过霍尔元件检测磁路中的磁场,只要磁场不为0就一直增大副边电流,直至磁场为0,此时原副边磁势正好相互抵消,这样就可以和普通电流互感器一样,按原副边电流之比与匝数成反比的关系通过副边电流感知原边被测电流。由于这种检测方式铁心里的磁通总是为0,因此这种方式也叫零磁通检测方式。这种检测方式的优点一是铁心中的磁通为0,不存在磁路饱和的问题,检测范围很大; 二是可以检测任意波形的被测电流,包括直流电流; 三是可以用这个原理来检测任意波形的电压,变成电压传感器; 四是二次信号跟随性好(原因随后解释)可以用于瞬态电流检测和自动控制中的实时检测; 五是非常容易做到数字化检测,使二次输出信号变成数字信号。这种方式也有一些缺点,那就是信号处理复杂,需要外电源和外电路配合处理信号,成本较高,不过正是因它技术复杂,一般人整不了,才说它是一种高大上的东东。

1.3 关于零磁通检测方式的瞬态性能

这个问题可能专业的宝宝们都很少有人想过,今天老师就豁出去了,给宝宝们说一说它是如何解决瞬态问题的,以便宝宝们出去给包括专业的人士显摆一下自己有多牛B!有多么高大上!试想一下,这种互感器的副边是一个匝数很多的线圈,应该电感很大,宝宝们都知道一个大电感中电流是不能突变的,因为电感的存在,电流会有所延迟,更何况是一个大电感,它是如何根据瞬息万变的原边电流实时地跟随灌入副边电流呢?原因很简单,如果没有原边电流时,副边电流就会产生磁通,它就是一个大电感,但如果原边存在电流时,副边同时灌入电流而且副边电流方向又是抵消原边磁势的情况下,就相当于这个副边线圈不产生磁通,因此也就不存在电感了,这种情况只有在原边有电流的同时灌入副边反方向电流才成立,此时副边线圈可以看作一个纯电阻,不存在时间常数。正因如此,副边才能几乎不用时间,随时可以跟随原边电流的变化而变化,正因如此,它才能被用于瞬变电流检测场合。因此宝宝们不必担心信号滞后的问题,这是这种结构特有的优点,是自动实现的。当然副边线圈虽然在主磁路里不会产生磁通,但仍然存在漏磁路,使得副边线圈存在很小的电感,另外外围电路给副边灌入电流时也不可避免地存在电路时间常数,造成副边信号的延迟,正因如此,这种传感器其实还是有一定的频率适用范围的,只是漏磁电感很小,且电路时间常数也很小,在一个很广的频率范围内,不会对检测造成大的误差,因此这种传感器的适用频率范围很广,可以广泛用于各种稳态、瞬态、各种波形的电流检测。在自动控制系统中应用最为广泛。

1.4 霍尔传感器的线性度问题

上面讲了这么多,宝宝们可能还有个疑问,霍尔传感器在结构上与普通电流互感器基本相同,也有铁心窗口用于穿过原边被测电路,也有副边线圈,难道不存在原边激磁电流分量对测量精度的影响吗?难道不存在磁路饱和对线性度的影响吗?当然不存在!虽然这种传感器和普通电流互感器结构相似,但其工作原理截然不同。普通互感器工作原理就是变压器原理,磁路中的磁场由原边电流的激磁分量建立,这部分分量不参与信号转换,副边是一个无源、被动的线圈,副边电流只与原边电流负载分量所平衡,因此激磁分量的存在会导致精度变差,而且随着电流的增大或副边负载的增大,副边电压将升高,磁路中磁通增大,磁路趋于饱和,更加恶化线性度,误差进一步增大。霍尔传感器则不然,一是副边是一个有源的线圈,靠外接电源提供工作电压,无需原边激磁分量建立工作电压; 二是副边电流的灌入使得磁路中磁通为0,不存在饱和问题,这样铁心的截面也可以减小,不会影响测量精度,这也是霍尔传感器的突出优点。霍尔传感器也称有源电流传感器。

2 罗氏线圈

2.1 工作原理

罗氏线圈是一个叫罗柯夫斯基的哥们儿发明的电流传感器,也叫电流测量线圈、微分电流传感器,是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。它必须通过一个对输出的电压信号进行积分的电路,来真实还原输入电流。根据安培环路定律,通电导体周围会产生磁场,再根据毕奥-萨法尔-拉普拉斯定律(简称毕-萨-拉定律)通电导体周围磁场的大小与导体内电流成正比,如果把一个空心(非铁磁芯)环形线圈(罗氏线圈)环套在通电导体上,那么在罗氏线圈的内部就会形成磁场,且磁场大小与电流成正比,如果这个磁场变化就会在罗氏线圈内产生感应电势,感应电势的大小e=M*di/dt,其中:M为罗氏线圈与通电导体间的互感系数,线圈及其位置确定后M就是一个常数,因此罗氏线圈输出的感应电势信号与被测电流的导数成线性关系,也就是说,输出信号反映了被测电流对时间的微分,如果把这个信号通过一个积分电路进行积分,就还原了被测电流的信息。这就是罗氏电流传感器的工作原理。

2.2 罗氏线圈传感器的应用场合

由于罗氏线圈没有铁磁材料作磁芯,因此不存在磁路饱和的问题,也不存在磁滞现象导致信号滞后或失真的问题,整个信号感知和转换过程都是即时和线性的,因此可以用罗氏线圈来检测任意波形的电流,包括直流电流,其适用频率范围非常宽、不怕过载、测量电流的范围很大、也不存在线圈开路造成高压的问题,特别适用于大电流的检测场合。另外它还有个非常大的优点就是由于罗氏线圈是一种柔软开口的环形线圈,可以任意打开套在被测电路上,无需破坏和拆装原电路结构,使用非常方便。

2.3 罗氏线圈的缺点及使用应注意的问题

罗氏线圈有很多优点,但也存在一些缺点,一是由于线圈中没有铁心,因此在线圈内产生的磁场很弱,输出信号也很弱,不太适合检测很小的电流信号; 二是由于线圈内的信号磁场很弱,容易受到环境磁场的干扰,降低测量精度,因此不太适用于环境磁场复杂的场合; 三是它要与积分器配合使用,应用前需要与积分器联合调试,学过高等数学的宝宝都知道,积分运算有个积分初始值问题,必须要设定好积分初始值。说到这儿,老师必须重点给宝宝们说说罗氏线圈的使用及与积分器联合调试的问题,这里面讲究很大,搞不好你测的结果就狗屁不是。我们知道罗氏线圈感知到的是被测电流的微分信息,也就是说,被测电流发生变化时它才能感知到,如果被测电流不变化(如直流电流),罗氏线圈中就没有感应电势,你再怎么积分也没用,也就测不到这个电流了。有的宝宝可能会说了,你刚才还说罗氏线圈可以测直流电流吗?怎么又说电流不变化就没法测了呢?学问就在这里!在测量时首先要在未通电的情况下将罗氏线圈套住被测导体(这一点宝宝们都能做到,通电时套环恐怕会吓死宝宝的),然后打开积分器,把积分初始值置0,此时就把环境中恒定磁场(如地磁场)的干扰全部排除在外了,最后再开启主回路,这样被测电流从0过度到稳定值的整个过程就全部被积分计入到测量结果,此时测量结果就是被测电流的全部信息,即使是直流电流达到稳定值后不再变化,积分器中仍然保留着最后稳定值的信息。如果上述步骤略有颠倒,就会造成测量误差甚至完全失真!若先开启主电路,再开积分器,则稳恒直流电流就无法测到; 若先打开积分器,初始值置0,再套环,就会把环境磁场的影响全部积分计入到了测量结果!因此我们一定要记住这些操作顺序: 一套环、二开积分器、三初始值置0、四开主电路,这个顺序必须不能有丝毫的差错!另外需要特别注意的是一旦线圈环套好,在测量过程中不要随意挪动环的位置,因为环与主回路的互感M是与二者的相对位置有关的,只有二者相对位置确定,互感才是一个常数。这些使用要点宝宝们一定要切记!

关于电流传感器的事老师就讲到这里,有什么问题可以课后答疑,不过宝宝们一定要先关注老师的公众号哦!哇靠!这一篇太长了,老师在手机上敲字都把眼睛累肿了,这要瞎了国家得受多大损失啊!那以后可真得瞎想了,想想也吓死宝宝了!下课!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2017-06-14

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