比較常見的電流傳感器分類
2022/10/29 11:40:24 點擊：
電流傳感器，是一種檢測裝置，能感受到被測電流的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
隨著技術的發展，電流傳感器也在不斷創新發展，我們就目前常見的電流傳感器做個分類對比。
電流傳感器，也稱磁傳感器，可以在家用電器、智能電網、電動車、風力發電等等，在我們生活中都用到很多磁傳感器，比如說電腦硬盤、指南針，家用電器等等。是一種檢測裝置，能感受到被測電流的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。主要可分為：分流器、電磁式電流互感器、電子式電流互感器等。
一、電阻分流器，是指測量直流電流用的，根據直流電流通過電阻時在電阻兩端產生電壓的原理制成。電阻式分流器的優點是高精度，相應速度快，成本低；而缺點則是，測量電路與被測電流沒有電隔離。電阻式分流器適用于低頻率小幅值的電流測量。
二、霍爾電流傳感器，是按照霍爾效應原理制成，對安培定律加以應用，即在載流導體周圍產生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此，使電流的非接觸測量成為可能?；魻栯娏鱾鞲衅骺蓽y直流和交流，頻率高達100KHz、有較高的精度和很好的隔離性；它的缺點就是影響速度慢，小電流測試精度低?？捎迷诮涣骱椭绷饕呀汥C-100KHz的測試。
三、磁通門電流傳感器，是利用被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的。這種物理現象對被測環境磁場來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應的磁通量即被調制，并產生感應電動勢。利用這種現象來測量電流所產生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。
電子式電流互感器包括霍爾電流傳感器、羅柯夫斯基電流傳感器及專用于變頻電量測量的AnyWay變頻功率傳感器（可用于電壓、電流和功率測量）等。與電磁式電流傳感器相比較，電子式電流互感器沒有鐵磁飽和，傳輸頻帶寬，二次負荷容量小、尺寸小、重量輕、是今后電流傳感器的發展方向。
光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應為基礎、以光纖為介質的新型電流傳感器。
當線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ=V*B*l，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應。
分流器
分流器是指測量直流電流用的，根據直流電流通過電阻時在電阻兩端產生電壓的原理制成。分流器實際就是一個阻值很小的電阻，當有直流電流通過時，產生壓降，供直流電流表顯示。所謂分流，即分一小的電流去推動表指示，該小電流（mA）與大回路里的電流（1A-幾十A）比例越小，電流表指示讀數的線性就越好，也更精確。
圖1. 檢測大電流分流器就是由一個或多跟導體組成
電流互感器（CT）
電流互感器是依據電磁感應原理將一次側大電流轉換成二次側小電流來測量的儀器（只能用于交流測試）。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次側繞組匝數很少，串在需要測量的電流的線路中。正常工作狀態下，一、二次繞組上的壓降很小，相當于一個短路狀態的變壓器，所以鐵芯中的磁通也很小，這時一、二次繞組的磁勢F（F=IN）大小相等，方向相反。即電流互感器一、二次之間的電流比與一、二次繞組的匝數成反比，即I1/I2=N2/N1。
常見的電流傳感器分類
圖2. 電流互感器原理圖及實物圖
電流互感器運行時，二次側不允許開路。因為一旦開路，原邊電流均成為勵磁電流，使磁通和副邊電壓大大超過正常值而危及人身和設備安全。因此，電流互感器二次側回路中不許接熔斷器，也不允許在運行時未經旁路就拆下電流表、繼電器等設備。
具體原因原因如下：電流互感器一次被測電流磁勢F1=I1N1在鐵芯產生磁通Φ1，二次測量儀表電流磁勢F2=I2N2在鐵芯產生磁通Φ2，電流互感器鐵芯合磁通為Φ = Φ1 + Φ2，由于Φ1.Φ2方向相反，大小相等，互相抵消，所以 Φ = 0。若二次開路，即 I2 = 0 ，則：Φ = Φ1，電流互感器鐵芯磁通很強，飽和，鐵心發熱，燒壞絕緣，產生漏電，并且在電流互感器二次線圈N2中產生很高的感生電勢E，在電流互感器二次線圈兩端形成高壓，危及操作人員生命安全。因此電流互感器二次線圈一端接地，就是為了防止高壓危險而采取的保護措施。
電壓互感器的原理與變壓器相似，一次繞組（高壓繞組）和二次繞組（低壓繞組）繞在同一個鐵芯上，鐵芯中的磁通為。根據電磁感應定律，繞組的電壓U（或電動勢E）、繞組的匝數N、磁通的關系為：U1=-N1dφ/dt、U2=-N2dφ/dt。進而得出：U1/U2=N1/N2。在空載電流可以忽略的情況下，有I1/ I2=-N2/N1，因此理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。
常見的電流傳感器分類
圖3. 電壓互感器原理圖及實物圖
按照用途不同，電流互感器大致可分為兩類：
1. 測量用電流互感器（或電流互感器的測量繞組）：在正常工作電流范圍內，向測量、計量等裝置提供電網的電流信息。
在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要轉換為比較統一的電流（中國規定電流互感器的二次額定為5A或1A）。通常1次側只有1到幾匝，導線截面積大，串入被測電路。2次側匝數多，導線細，與阻抗較小的儀表（電流表/功率表的電流線圈）構成閉路。正常工作時互感器二次側處于近似短路狀態，輸出電壓很低。在運行中如果二次繞組開路或一次繞組流過異常電流（如雷電流、諧振過電流、電容充電電流、電感啟動電流等），都會在二次側產生數千伏甚至上萬伏的過電壓。
2. 保護用電流互感器（或電流互感器的保護繞組）：在電網故障狀態下，向繼電保護等裝置提供電網故障電流信息。
保護用電流互感器分為：1）過負荷保護電流互感器；2）差動保護電流互感器；3）接地保護電流互感器（零序電流互感器）。保護用電流互感器的工作條件與測量用電流互感器完全不同，保護用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開始有效的工作。
霍爾傳感器
霍爾效應的本質是：固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。
說人話就是對于一個給定的霍爾器件，當偏置電流 I 固定時，UH將完全取決于被測的磁場強度B?；魻栯妷弘S磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。
圖4. a） 霍爾效應 b） 閉環式磁平衡式電流傳感器 c）實物圖
圖4b）為磁平衡式電流傳感器通過產生補償電流保證閉環磁通量φ=0來維持磁平衡。其具體工作過程為：當主回路有一電流通過時，在導線上產生的磁場被聚磁環聚集并感應到霍爾器件上， 所產生的信號輸出用于驅動相應的功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產生磁場 ，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場， 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數相乘 所產生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經功率放大后，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態平衡的過程。
從應用角度，電流互感器與霍爾傳感器相同之處在于都需要一次線圈產生磁場。不同之處之一在于互感器需要變化的磁場，而霍爾傳感器可以是恒定的磁場，因此，前者只能用于交流測試，而后者可以用于交流和直流測試。不同之處之二在于互感器有鐵芯，而霍爾傳感器沒有鐵芯，前者對于頻率來講是非線性的，后者是線性的，因此前者適用的頻段較窄，一般用于固定頻段（如45~66Hz），后者頻段較寬。不同之處之三是互感器較多的用于電能計量，相位指標是測量用互感器的重要指標。而霍爾傳感器較多的用于控制或簡單的電壓、電流獨立測試，一般不控制相位指標，也不提供相位指標（如50Hz的相位誤差指標）。
隨著技術的發展，電流傳感器也在不斷創新發展，我們就目前常見的電流傳感器做個分類對比。
電流傳感器，也稱磁傳感器，可以在家用電器、智能電網、電動車、風力發電等等，在我們生活中都用到很多磁傳感器，比如說電腦硬盤、指南針，家用電器等等。是一種檢測裝置，能感受到被測電流的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。主要可分為：分流器、電磁式電流互感器、電子式電流互感器等。
一、電阻分流器，是指測量直流電流用的，根據直流電流通過電阻時在電阻兩端產生電壓的原理制成。電阻式分流器的優點是高精度，相應速度快，成本低；而缺點則是，測量電路與被測電流沒有電隔離。電阻式分流器適用于低頻率小幅值的電流測量。
二、霍爾電流傳感器，是按照霍爾效應原理制成，對安培定律加以應用，即在載流導體周圍產生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此，使電流的非接觸測量成為可能?；魻栯娏鱾鞲衅骺蓽y直流和交流，頻率高達100KHz、有較高的精度和很好的隔離性；它的缺點就是影響速度慢，小電流測試精度低?？捎迷诮涣骱椭绷饕呀汥C-100KHz的測試。
三、磁通門電流傳感器，是利用被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的。這種物理現象對被測環境磁場來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應的磁通量即被調制，并產生感應電動勢。利用這種現象來測量電流所產生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。
電子式電流互感器包括霍爾電流傳感器、羅柯夫斯基電流傳感器及專用于變頻電量測量的AnyWay變頻功率傳感器（可用于電壓、電流和功率測量）等。與電磁式電流傳感器相比較，電子式電流互感器沒有鐵磁飽和，傳輸頻帶寬，二次負荷容量小、尺寸小、重量輕、是今后電流傳感器的發展方向。
光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應為基礎、以光纖為介質的新型電流傳感器。
當線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ=V*B*l，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應。
分流器
分流器是指測量直流電流用的，根據直流電流通過電阻時在電阻兩端產生電壓的原理制成。分流器實際就是一個阻值很小的電阻，當有直流電流通過時，產生壓降，供直流電流表顯示。所謂分流，即分一小的電流去推動表指示，該小電流（mA）與大回路里的電流（1A-幾十A）比例越小，電流表指示讀數的線性就越好，也更精確。
圖1. 檢測大電流分流器就是由一個或多跟導體組成
電流互感器（CT）
電流互感器是依據電磁感應原理將一次側大電流轉換成二次側小電流來測量的儀器（只能用于交流測試）。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次側繞組匝數很少，串在需要測量的電流的線路中。正常工作狀態下，一、二次繞組上的壓降很小，相當于一個短路狀態的變壓器，所以鐵芯中的磁通也很小，這時一、二次繞組的磁勢F（F=IN）大小相等，方向相反。即電流互感器一、二次之間的電流比與一、二次繞組的匝數成反比，即I1/I2=N2/N1。
常見的電流傳感器分類
圖2. 電流互感器原理圖及實物圖
電流互感器運行時，二次側不允許開路。因為一旦開路，原邊電流均成為勵磁電流，使磁通和副邊電壓大大超過正常值而危及人身和設備安全。因此，電流互感器二次側回路中不許接熔斷器，也不允許在運行時未經旁路就拆下電流表、繼電器等設備。
具體原因原因如下：電流互感器一次被測電流磁勢F1=I1N1在鐵芯產生磁通Φ1，二次測量儀表電流磁勢F2=I2N2在鐵芯產生磁通Φ2，電流互感器鐵芯合磁通為Φ = Φ1 + Φ2，由于Φ1.Φ2方向相反，大小相等，互相抵消，所以 Φ = 0。若二次開路，即 I2 = 0 ，則：Φ = Φ1，電流互感器鐵芯磁通很強，飽和，鐵心發熱，燒壞絕緣，產生漏電，并且在電流互感器二次線圈N2中產生很高的感生電勢E，在電流互感器二次線圈兩端形成高壓，危及操作人員生命安全。因此電流互感器二次線圈一端接地，就是為了防止高壓危險而采取的保護措施。
電壓互感器的原理與變壓器相似，一次繞組（高壓繞組）和二次繞組（低壓繞組）繞在同一個鐵芯上，鐵芯中的磁通為。根據電磁感應定律，繞組的電壓U（或電動勢E）、繞組的匝數N、磁通的關系為：U1=-N1dφ/dt、U2=-N2dφ/dt。進而得出：U1/U2=N1/N2。在空載電流可以忽略的情況下，有I1/ I2=-N2/N1，因此理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。
常見的電流傳感器分類
圖3. 電壓互感器原理圖及實物圖
按照用途不同，電流互感器大致可分為兩類：
1. 測量用電流互感器（或電流互感器的測量繞組）：在正常工作電流范圍內，向測量、計量等裝置提供電網的電流信息。
在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要轉換為比較統一的電流（中國規定電流互感器的二次額定為5A或1A）。通常1次側只有1到幾匝，導線截面積大，串入被測電路。2次側匝數多，導線細，與阻抗較小的儀表（電流表/功率表的電流線圈）構成閉路。正常工作時互感器二次側處于近似短路狀態，輸出電壓很低。在運行中如果二次繞組開路或一次繞組流過異常電流（如雷電流、諧振過電流、電容充電電流、電感啟動電流等），都會在二次側產生數千伏甚至上萬伏的過電壓。
2. 保護用電流互感器（或電流互感器的保護繞組）：在電網故障狀態下，向繼電保護等裝置提供電網故障電流信息。
保護用電流互感器分為：1）過負荷保護電流互感器；2）差動保護電流互感器；3）接地保護電流互感器（零序電流互感器）。保護用電流互感器的工作條件與測量用電流互感器完全不同，保護用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開始有效的工作。
霍爾傳感器
霍爾效應的本質是：固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。
說人話就是對于一個給定的霍爾器件，當偏置電流 I 固定時，UH將完全取決于被測的磁場強度B?；魻栯妷弘S磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低，霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。
圖4. a） 霍爾效應 b） 閉環式磁平衡式電流傳感器 c）實物圖
圖4b）為磁平衡式電流傳感器通過產生補償電流保證閉環磁通量φ=0來維持磁平衡。其具體工作過程為：當主回路有一電流通過時，在導線上產生的磁場被聚磁環聚集并感應到霍爾器件上， 所產生的信號輸出用于驅動相應的功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產生磁場 ，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場， 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數相乘 所產生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經功率放大后，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態平衡的過程。
從應用角度，電流互感器與霍爾傳感器相同之處在于都需要一次線圈產生磁場。不同之處之一在于互感器需要變化的磁場，而霍爾傳感器可以是恒定的磁場，因此，前者只能用于交流測試，而后者可以用于交流和直流測試。不同之處之二在于互感器有鐵芯，而霍爾傳感器沒有鐵芯，前者對于頻率來講是非線性的，后者是線性的，因此前者適用的頻段較窄，一般用于固定頻段（如45~66Hz），后者頻段較寬。不同之處之三是互感器較多的用于電能計量，相位指標是測量用互感器的重要指標。而霍爾傳感器較多的用于控制或簡單的電壓、電流獨立測試，一般不控制相位指標，也不提供相位指標（如50Hz的相位誤差指標）。
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