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1、磁通门传感器测大电流磁通门传感器测大电流Flux-gate sensor for high-current measurement杨杨 真真微纳科学技术研究院微纳科学技术研究院微纳科学技术研究院微纳科学技术研究院2010.4.18-4.292010.4.18-4.291 1）电阻欧姆定律）电阻欧姆定律(Ohm(Ohms law of resistance)s law of resistance)2 2）法拉第电磁感应）法拉第电磁感应(Faeadays law of (Faeadays law of induction) induction)3 3）磁场传感器）磁场传感器(Magnetic fi
2、eld sensors)(Magnetic field sensors) 4 4）法拉第效应）法拉第效应(Faraday effect)(Faraday effect)电流传感技术的基本原理接触式电流测量接触式电流测量A.A.分流电阻传感分流电阻传感(Shunt resistor):(Shunt resistor):基于测量电流在分流电阻上产生的基于测量电流在分流电阻上产生的电压。该方法简单，适合精确测量直流和交流。缺陷是：功率和测电压。该方法简单，适合精确测量直流和交流。缺陷是：功率和测量电路的隔离，以及在测大电流时功耗较大。量电路的隔离，以及在测大电流时功耗较大。 1 1）高性能同轴分流）
3、高性能同轴分流( (High-performance coaxial shunt);); 2 2）低耗表面粘着元件）低耗表面粘着元件( (Low-cost surface-mounted-device) )B.B.追踪电阻传感追踪电阻传感(Trace resistance sensing):PCB copper shunt (Trace resistance sensing):PCB copper shunt resistorresistor基于电阻欧姆定律的电流传感技术基于电阻欧姆定律的电流传感技术A.A.罗氏线圈罗氏线圈(Rogowski coil):(Rogowski coil):线圈缠
4、绕在非磁磁芯上线圈缠绕在非磁磁芯上, ,通过罗氏线圈的通过罗氏线圈的电流产生了一个电压电流产生了一个电压, ,该电压与电流变化率以及线圈与导体之间的互该电压与电流变化率以及线圈与导体之间的互感系数成正比。所测电流正比于该电压的一个积分值。感系数成正比。所测电流正比于该电压的一个积分值。B.B.电流转换感电流转换感(Current transformer):(Current transformer):仅仅使用于交流电的测量，该方仅仅使用于交流电的测量，该方法简单，稳定性好。它含有一个环状铁心，次级线圈缠绕在铁心上，法简单，稳定性好。它含有一个环状铁心，次级线圈缠绕在铁心上，流经导体的电流的测量实
5、际上就变成了测量初级线圈上电流。流经导体的电流的测量实际上就变成了测量初级线圈上电流。基于法拉第电磁感应定律的电流传感技术基于法拉第电磁感应定律的电流传感技术A.A.霍尔效应传感器霍尔效应传感器(Hall-effect sensors):(Hall-effect sensors):电流电流垂直于外磁场通过导体垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差电势差，这一现象便是霍尔效应。该方法可以测量直流和交流，频率高达这一现象便是霍尔效应。该方法可以测量直流和交流，频率高达100kHz100kHz，较高的精度和很
6、好的隔离。，较高的精度和很好的隔离。B.B.磁通门传感器磁通门传感器(Fluxgate sensors)(Fluxgate sensors)(后面详述后面详述) )C.C.磁阻效应传感磁阻效应传感(MR)(MR) 1).Anisotropic magneto resistance(AMR)1).Anisotropic magneto resistance(AMR) 2).Giant magneto resisitance(GMR) 2).Giant magneto resisitance(GMR) 基于磁场传感器的电流传感技术基于磁场传感器的电流传感技术以上部分常见电流传感检测方法的比较以上部
7、分常见电流传感检测方法的比较光纤技术光纤技术(fiber-optical techniques):(fiber-optical techniques):新兴的技术，较传统技术价格新兴的技术，较传统技术价格 较高较高A.A.偏光检测方法偏光检测方法(Polarmeter detection method):(Polarmeter detection method):直接利用法拉第效应直接利用法拉第效应检测电流。检测电流。B.B.干涉仪检测方法干涉仪检测方法(Interferometer detection method)(Interferometer detection method)基于法拉第
8、效应的电流传感技术基于法拉第效应的电流传感技术不同电流传感技术检测电流的性能比较不同电流传感技术检测电流的性能比较磁通门传感器测电流的原理磁通门传感器测电流的原理最基本磁通门原理：采用磁场强度最基本磁通门原理：采用磁场强度H H与磁感应强度与磁感应强度B B之间的非线之间的非线 性关系性关系磁通门传感器测电流的常见设计方法常见设计方法的比较常见设计方法的比较a)a)标准磁通门：初始电流产生的磁场通过磁芯得到集标准磁通门：初始电流产生的磁场通过磁芯得到集中，在闭环结构中，次级线圈是用来补偿集中的磁中，在闭环结构中，次级线圈是用来补偿集中的磁场。优点：优越的灵敏度，温度稳定性，高精度。场。优点：优
9、越的灵敏度，温度稳定性，高精度。b)b)单一闭合环形磁芯结构：没有激励线圈，激磁线圈单一闭合环形磁芯结构：没有激励线圈，激磁线圈所产生的电流取决于初始电流的大小。特点：低消所产生的电流取决于初始电流的大小。特点：低消耗，热转换低，检测频率带宽有限耗，热转换低，检测频率带宽有限c)c)磁通门磁通门+ +电流转换器：提高了检测频率的带宽。磁通电流转换器：提高了检测频率的带宽。磁通门负责提供低频信号，电流转换器负责高频信号。门负责提供低频信号，电流转换器负责高频信号。d)d)采用第三个磁芯：抵消第一个磁通门在初级导体感采用第三个磁芯：抵消第一个磁通门在初级导体感应产生的电压噪音，激励线圈的电压随匝比
10、倍增，应产生的电压噪音，激励线圈的电压随匝比倍增，当磁芯材料没有饱和时，仅仅只作为转换器。当磁芯材料没有饱和时，仅仅只作为转换器。 磁通门传感器测电流磁通门传感器测电流：基于检测磁电路的饱和状态。：基于检测磁电路的饱和状态。 磁芯用高磁导率材料制成，专注于被测的磁场。磁芯用高磁导率材料制成，专注于被测的磁场。 用一个信号激发磁性材料，外部磁场引起磁性材料对称饱和。这种对称用一个信号激发磁性材料，外部磁场引起磁性材料对称饱和。这种对称随外磁场的消失而消失。附加线圈的电流引起了一个补偿磁场，该磁场随外磁场的消失而消失。附加线圈的电流引起了一个补偿磁场，该磁场恢复了磁滞循环的对称。所加电流补偿了被测
11、电流所产生的磁场，它的恢复了磁滞循环的对称。所加电流补偿了被测电流所产生的磁场，它的电压值与这个电流成正比。电压值与这个电流成正比。在磁电路中，为了检测一个等于零磁通的磁场，必须通过必要的电流激励在磁电路中，为了检测一个等于零磁通的磁场，必须通过必要的电流激励次级线圈，传感器在零磁通的环境下，电流通过次级线圈得到加强，证实次级线圈，传感器在零磁通的环境下，电流通过次级线圈得到加强，证实与被测的初级电流成正比。与被测的初级电流成正比。Ip=NsIsIp=NsIs铁磁磁芯和辅助线圈形成了一个饱和感应器，在零磁通的情况下，对于传铁磁磁芯和辅助线圈形成了一个饱和感应器，在零磁通的情况下，对于传感器磁路
12、的检测就是基于该感应器电感值的变化。感器磁路的检测就是基于该感应器电感值的变化。磁通门传感器设计框图磁通门传感器设计框图1.1.信号发生器是为了激励辅助线圈：基于有磁滞现象的比较电路。信号发生器是为了激励辅助线圈：基于有磁滞现象的比较电路。 当循环电流在主要的线圈激励超过峰值时当循环电流在主要的线圈激励超过峰值时, ,电路将改变它的输出的电压值。在振荡电路检电路将改变它的输出的电压值。在振荡电路检测这些磁性元件测这些磁性元件, ,并且这些元件的电特性将影响方波信号电路的振荡频率。对于传感器的设计并且这些元件的电特性将影响方波信号电路的振荡频率。对于传感器的设计，这些频率的范围在，这些频率的范围
13、在300300赫兹左右。赫兹左右。2.2.辅助电流的对称检测辅助电流的对称检测 没有初级电流没有初级电流, ,激励电流的平均值为零激励电流的平均值为零. .初级电流存在影响不为零的平均值的输出，并且初级电流存在影响不为零的平均值的输出，并且信号依赖于这个电流的敏感性。对于次级电流值得自动调节，采用了信号依赖于这个电流的敏感性。对于次级电流值得自动调节，采用了PIPI控制器，目的是为了控制器，目的是为了确保初级电流激励线圈有零平均值。控制器包括一个三角的低频振荡器，一个频率检测器和确保初级电流激励线圈有零平均值。控制器包括一个三角的低频振荡器，一个频率检测器和一个模拟开关。频率检测器是为了检测激
14、励电流，模拟开关受频率检测器的控制。一个模拟开关。频率检测器是为了检测激励电流，模拟开关受频率检测器的控制。 对上设计图详细分析对上设计图详细分析3.3.指示器的有效检测指示器的有效检测 低频检测电流的输出与有效检测的指示器相连。在它检测的初级激励线圈是低低频检测电流的输出与有效检测的指示器相连。在它检测的初级激励线圈是低频的时候，指示器才被激活。并且当系统在零磁通环境下工作时，影响将产生。频的时候，指示器才被激活。并且当系统在零磁通环境下工作时，影响将产生。 一个一个LEDLED和一个开关是输出元件，用来指示零磁通有效测量的环境。和一个开关是输出元件，用来指示零磁通有效测量的环境。4.4.驱
15、动形成补偿电流驱动形成补偿电流 电路是用来产生流经次级线圈的补偿电流。一个电路是用来产生流经次级线圈的补偿电流。一个D D级放大器被用来执行放大，级放大器被用来执行放大，这个放大器与线性放大器相比，呈现了高频的优点，但是增加了相同转化频率的泛这个放大器与线性放大器相比，呈现了高频的优点，但是增加了相同转化频率的泛音并放大化了，因此必须基于一个压力带宽调幅器，该调幅器产生了一个方形的电音并放大化了，因此必须基于一个压力带宽调幅器，该调幅器产生了一个方形的电压，该电压的循环与压，该电压的循环与IPIP控制的输出信号成比例。调幅器的方形波输出应用于补偿线控制的输出信号成比例。调幅器的方形波输出应用于
16、补偿线圈，用一个半桥驱动电流。圈，用一个半桥驱动电流。5.5.高频电流的测量高频电流的测量 所测量的最大交流电的频率取决于零磁通检测系统的工作频率。对于高频交流所测量的最大交流电的频率取决于零磁通检测系统的工作频率。对于高频交流电来说，为了获得一个稳定的动态特性，以免电流的快速变化，就必须采用第三个电来说，为了获得一个稳定的动态特性，以免电流的快速变化，就必须采用第三个磁芯，该磁芯被补偿线圈绕制，作为一个电流转换器。磁芯，该磁芯被补偿线圈绕制，作为一个电流转换器。6.6.电源供应器电源供应器 传感器的电压是通过一个回馈的直流转化器提供。通过这种方法，两个稳定的传感器的电压是通过一个回馈的直流转
17、化器提供。通过这种方法，两个稳定的输出电压来源于一个输出电压来源于一个10V10V到到30V30V的输入电压。的输入电压。1Ziegler, S.; Woodward, R.C.; Iu, H.H.-C.; Borle, L.J.; , Current Sensing Techniques: A Review, Sensors Journal, IEEE , vol.9, no.4, pp.354-376, April 20092Pavel Ripka.Electric current sensors:a reviewJ. Measurement Science and TechnologyJ
18、. 21(2010) 112001 (23pp)1-23.3M.Roman,G.Velasco,A.Conesa,and F.Jerez,“Low consumption fluxgate transducer for AC and DC high-current measurement, ”in Proc.39th IEEE Power Electron.Specialists Conf.,PESC08, Rhodes,GREECE,2008,PP.535-5604刘诗斌,段哲民,严家明.电流输出型磁通门传感器的灵敏度.仪表技术与传感器.2002.5何俊彦,陶龙旭,张怀武，钟智勇.GMI电流
19、传感器的研究进展.技术与应用.2011,12. 6Favre, Eric, et al. Current Sensing in Electric Drives A Future and History Based on Multiple Innovations. Switzerland. 2009. 7Kudo, T.; Tsuji, N.; Asada, T.; Sugiyama, S.; Wakui, S.; , Development of a Small and Wide- Range Three-Phase Current Sensor Using an MI Element, Ma
20、gnetics, IEEE Transactions on , vol.42, no.10, pp.3362-3364, Oct. 2006 doi: 10.1109/TMAG.2006.879641参考文献参考文献8M.J.Caruso, T.Bratland, C.H.Smith, R.Schneider,“A New Perspective on Magnetic Field Sensing”, Sensors Expo Proceedings, October 1998, 195-21 3.9Ripka, P.; Kubik, J.; Duffy, M.; Hurley, W.G.;
21、OReilly, S.; , Current sensor in PCB technology, Sensors, 2002. Proceedings of IEEE , vol.2, no., pp. 779- 784 vol.2, 200210P. Ripka Review of fluxgate sensors Sens. Actuators A, 33 (1992), pp. 12914111P. Ripka, F. Primdahl, Tuned current-output fluxgate, Sens. Actuators A82 (2000) 160165.12P. Ripka, W. Billingsley, Fluxgate: tuned versus untuned output,IEEE Trans. Magn. 34 (1998) 13031305. 13Ripka, P. Current Sensors using magnetic materials. Teschnicka, Czech Republic. June 2004 14Ripka P 2004 Current sensors using magnetic materials J.Optoelectron. Adv. Mater. 6 58792参考文献参考文献20 谢谢！谢谢！
