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不同技術(shù)原理的電流傳感器以及未來發(fā)展趨勢
在科技快速發(fā)展的今日，電的應(yīng)用隨處可見，工業(yè)用電，生活用電，電的實際需求直接推動電流檢測技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。檢測電流、控制電路、防止漏電危險的發(fā)生，能實現(xiàn)這些功能的傳感器應(yīng)運而生并不斷發(fā)展和進步。
電流傳感器，是一種檢測裝置，能感受到被測電流的大小，并能將檢測感受到的電流信息，按一定規(guī)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，以滿足電流信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
按照技術(shù)原理，可以分為分流器、電流互感器、霍爾電流傳感器、磁通門電流傳感器等。
01 分流器
分流器測量電流的基本原理是歐姆定律，是通過被測電流電路中串聯(lián)電阻兩端的電壓來測量直流電流。它的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，在低頻小電流測量中，具有高精度和響應(yīng)快的特點；但在大電流測量中，會有很大的誤差。因為分流器的材料一般是銅的合金，為了測量準確，導(dǎo)體電阻不宜過小，但大電流會產(chǎn)生大量歐姆熱；如果減小導(dǎo)體電阻，又勢必增加分流器的尺寸，降低精度，提高生產(chǎn)的成本。因此，一般分流器更適合于偏小的電流測量。
02 電流互感器
電流互感器是用來測量、保護、監(jiān)控用電設(shè)備的重要器件。電流互感器的基本原理：通過設(shè)計原邊與副邊的繞組匝數(shù)關(guān)系，用副邊的感應(yīng)電流值的大小去反應(yīng)原邊電流值的大小。由于電流互感器的特性，二次負載阻抗很小，接近于零，所以，對外部電路的要求較低。這是一種常見的交流測量方式。工藝成熟、制造方便，能滿足一般交流電流測量要求。
03 霍爾電流傳感器
霍爾電流傳感器基于霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)指的是，有小電流通過的一個半導(dǎo)體薄片置于磁場中，受到磁場作用影響電流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在控制電流的垂直方向上的半導(dǎo)體兩側(cè)形成了電壓差，該電勢差就是霍爾電壓?；魻栯妷旱拇笮。c磁場強度和半導(dǎo)體內(nèi)通過的控制電流成正比。
根據(jù)霍爾電壓與磁場強度的正比例關(guān)系，設(shè)計裝置，提供恒定的控制電流，那么霍爾電流的大小就只收到磁場強度一個因素的影響，進而霍爾電壓的變化可以反應(yīng)磁場強度的變化。而磁場是由相應(yīng)電流產(chǎn)生的，與電流具有明確的聯(lián)動關(guān)系。這就是利用霍爾元件測量電流強度的基本原理。
開環(huán)式霍爾電流傳感器
當在一根長導(dǎo)線中通以電流時，在導(dǎo)線的周圍會有磁場產(chǎn)生，該磁場的大小與通過導(dǎo)線的電流成正比。利用薄半導(dǎo)體片的霍爾效應(yīng)，測量霍爾器件感應(yīng)生成的電壓信號，經(jīng)過放大器放大霍爾電壓后，可以直接測量霍爾電壓。直檢式霍爾電流傳感器的優(yōu)點是電路簡單、成本較低、能量效率高、檢測范圍廣及電耗低等；缺點是精度、線性度較差、響應(yīng)速度較慢、且溫漂較大。
閉環(huán)霍爾電流傳感器
磁平衡式霍爾電流傳感器是依據(jù)磁場平衡原理工作的。原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場，使得霍爾元件上產(chǎn)生電壓偏差；電壓信號傳遞給放大器后，經(jīng)過放大的電流信號輸送給線圈，在線圈上感應(yīng)出的電流所產(chǎn)生的磁場，方向與原邊磁場相反。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整放大器輸出電壓， 原邊產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的磁場在氣隙處互相抵消，從而使得半導(dǎo)體薄片處于零磁通的環(huán)境中。達到這種平衡狀態(tài)以后，檢測放大器輸出電流，推算得到原邊回路電流值。磁平衡式霍爾電流傳感器的優(yōu)點是精度高、響應(yīng)時間快、溫漂小、線性度好及抗*力強；缺點是測量范圍較固定，成本、能耗較高。
04 磁通門電流傳感器
磁通門傳感器是應(yīng)用被測磁場中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場的飽和鼓勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來丈量弱磁場的。這種物理現(xiàn)象對被測環(huán)境磁場來說仿佛是一道“門"，經(jīng)過這道“門"，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。應(yīng)用這種現(xiàn)象來測量電流所產(chǎn)生的磁場，從而間接的到達測量電流的目的。
如果將磁通門激勵電流產(chǎn)生的二次諧波信號放大后驅(qū)動補償線圈，使得聚磁磁芯中的磁通與原邊電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，保持為“零"，即所謂“零磁通"狀態(tài)。如下圖，則稱之為閉環(huán)磁通門電流傳感器。
磁通門電流傳感器的精度要比霍爾電流傳感器更高，原因在于：1.磁通門原理的高靈敏性；2.閉環(huán)磁平衡技術(shù)，輸出嚴格按照匝比對應(yīng)關(guān)系；3.磁通門原理使用整體磁芯，不帶任何氣隙，因此無漏磁，亦沒有位置誤差；4.雙磁通門探頭設(shè)計，補償并消除磁通門探頭振蕩諧波影響，輸出更干凈，零點失調(diào)更小。
05 不同技術(shù)路線優(yōu)缺點對比
對比上述幾種電流傳感器當中，分流器、互感器、和磁通門電流傳感器，優(yōu)缺點如下：
分流器
優(yōu)點：足夠簡單、使用靈活、電流低時成本優(yōu)勢明顯、適用于幾百安培以下；
缺點：僅適用于直流、電流大時設(shè)計困難、插入損壞大效率低、隔離應(yīng)用時系統(tǒng)復(fù)雜；
互感器
優(yōu)點：簡單、交流精度較高；
缺點：僅適用于交流或者脈動直流、體積大；
磁通門電流傳感器
優(yōu)點：具有高精度、交直流通用、全量程、低零漂、低溫漂、高帶寬等優(yōu)點；
缺點：技術(shù)壟斷，商用成本高，國內(nèi)尚未能大規(guī)模應(yīng)用。
06 電流傳感器未來發(fā)展趨勢
1、高靈敏度
被檢測信號的強度越來越弱，這就需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應(yīng)用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環(huán)境測量。
2、溫度穩(wěn)定性
更多的應(yīng)用領(lǐng)域要求傳感器的工作環(huán)境越來越嚴酷，這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩(wěn)定性，行業(yè)應(yīng)用包括汽車電子行業(yè)。
3、抗干擾性
很多領(lǐng)域里傳感器的使用環(huán)境沒有任何評比，就要求傳感器本身具有很好的抗干擾性。包括汽車電子、水表等等。
4、小型化、集成化、智能
要想做到以上需求，這就需要芯片級的集成，模塊級集成，產(chǎn)品級集成。
5、高頻特性
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，要求傳感器的工作頻率越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域包括水表、汽車電子行業(yè)、信息記錄行業(yè)。
6、低功耗
很多領(lǐng)域要求傳感器本身的功耗極低，得以延長傳感器的使用壽命。應(yīng)用在植入身體內(nèi)磁性生物芯片，指南針等等。
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