下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
霍尔电流传感器的基本工作原理为霍尔效应，可实现直流电流、交流电流的隔离检测，根据其结构和磁通测量方式，可分为开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器 [5] 。
如图1—1所示，开环式霍尔电流传感器由霍尔元件、磁心以及放大电路三部分组成。当被测电流流经放置于测量孔位的导线时，在环形磁心内产生与电流强度成正比的磁通量 Φ 。根据霍尔效应原理，放置于磁环气隙内的霍尔元件受该磁通量作用，将在霍尔元件两端产生正比于磁感应强度 B 的电势差 U Hall ，如式（1-1）所示，再经放大电路，输出正比于电流信号的 U out 。
式中， B 为磁感应强度， B = ΦS ； S 为磁环气隙截面积； I Hall 为霍尔激励电流； R Hall 为霍尔系数； d 为霍尔元件厚度。
图1—1 开环式霍尔电流传感器结构
开环式霍尔电流传感器的特性：①结构简单，可靠性好，过载能力强；②由如图1—2所示的软磁材料磁滞曲线可知，随着磁场强度 H 的增加，磁感应强度 B 呈现非线性变化，导致线性度较差；③动态响应特性较差，频带宽度窄。
通过上述分析可知，磁心的 B-H 非线性特性是导致开环霍尔电流传感器线性度较差的主要因素。闭环霍尔电流传感器通过引入了零磁通法，有效提升了测量准确度，属于磁平衡电流传感器，由磁心、霍尔元件、放大电路和二次侧线圈四部分组成，其结构如图1—3所示。测量原理为：被测电流流经放置于测量孔位的导线时，在环形磁心内产生磁通量 Φ ，二次侧线圈产生大小相等、方向相反的磁通 Φ ′，此时霍尔元件内部为零磁通。对于直流或者低频交流电流信号，反向磁通量 Φ ′较小，磁通量 Φ 和 Φ ′无法完全抵消，根据霍尔元件检测到的剩余磁通量| Φ-Φ ′|，闭环控制电路立刻调整补偿电流以维持零磁通状态，通过检测二次侧线圈电流 I s 即可实现电流测量。
图1—2 典型软磁材料磁滞曲线
闭环式霍尔电流传感器特性：①磁心处于零磁通状态，消除了磁心的 B-H 非线性特性影响，具有良好的线性度；②霍尔元件仅用来测量剩余磁通量| Φ-Φ ′|，有效提升了测量准确度；③高频交流电流信号由二次侧线圈直接进行磁通抵消，低频或直流电流信号由闭环控制系统进行磁通抵消，因此具有较高的测量带宽。
图1—3 闭环式霍尔电流传感器结构
对于磁平衡式电流传感器，剩余磁通量| Φ-Φ ′|的高灵敏度检测是确保其电流测量准确度的基础。但是，受限于霍尔元件的低磁灵敏度和高温度漂移，闭环式霍尔电流传感器的测量准确度和稳定性有待进一步提升 [6-7] 。
磁通门传感器是利用铁磁体在磁饱和区时的磁导率非线性特性实现磁场测量的一种装置。它具有高灵敏度和良好的温度稳定性，适用于微弱磁场的检测。在如图1—3所示的闭环式霍尔电流传感器结构的基础上，由磁通门传感器代替霍尔元件进行剩余磁通量检测便可构成磁通门电流传感器。
磁通门传感器由磁心、励磁电路、励磁绕组、检测绕组和信号处理电路等组成，如图1—4所示。当励磁电路输出角频率为 ω 的正弦励磁电流 i e = I 0 sin( ωt )时，产生的励磁磁场强度为 H e = N 1 I 0 sin( ωt )， N 1 为励磁绕组匝数。当磁心饱和时，其磁导率 μ 随着 H e 周期性变化。由于 μ 为标量，其变化周期为 H e 的一半，故其频率为2 ω ，可描述为
式中， μ d 为直流分量， μ 2 k 0 为各次谐波幅值。当被测磁场 H m =0时，检测绕组两端电动势为
式中， H 0 = N 1 I 0 ， S 为磁心横截面面积。对式（1-3）进行分解，其仅包含励磁磁场强度 H e 的奇次谐波。当被测磁场 H m ≠0时，检测绕组两端电动势如式（1-4）所示。
图1—4 磁通门传感器结构
由式（1-4）可知，当被测磁场 H m ≠0时，检测绕组两端电动势中出现了幅值与被测磁场强度 H m 成正比的偶次谐波。信号处理电路提取感应电动势的特定偶次谐波分量的幅值，便可得出被测磁场强度。
得益于磁通门传感器较高的灵敏度和良好的温度稳定性，磁通门电流传感器的准确度和稳定性较闭环式霍尔电流传感器有了显著提升。此外，磁通门电流传感器可采用整体磁心结构，消除气隙、漏磁以及安装位置偏差对剩余磁通量检测的影响。但是，由于励磁信号的存在，其输出信号的噪声较霍尔电流传感器更大。
分流器本质是一个低值电阻，当被测电流流经分流器时，其两端产生与被测电流成正比的电位差，通过对该电位差的隔离、放大，便可实现交直流电流测量。
典型分流器电流测量电路由分流器、前端放大电路、差分隔离电路和信号调理电路四部分构成，如图1—5所示。前端放大电路一般采用同相差分输入方式，在放大分流器输出的微弱差分信号的同时，以单位增益通过共模电压信号，提升了检测电路的信噪比和电压共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio, CMRR）；差分隔离电路主要用于将前端放大电路输出的差分信号转化为单端信号并进行隔离；信号调理电路主要用于将差分隔离电路输出的信号进行偏置、放大等调理，以匹配后端的A-D转换电路 [8，9] 。
图1—5 典型分流器电流测量电路
一方面，由于大电流流经分流器时，会产生额外的热量，分流器额定阻值应适当降低。另一方面，分流器阻值过低会造成低电流测量时两端电位差过低，进而影响测量准确度。因此，分流器阻值的选取应综合考虑大电流时的热损耗和小电流时的电位差 [9-10] 。工程中，一般选取由锰铜、康铜或者镍铬合金等低温度系数材料制成的精密电阻，阻值一般为100μΩ至数mΩ [9] 。
由于温度是影响分流器测量准确度和稳定性的重要因素，目前关于分流器电流测量的研究主要集中于消除不同材料结合点处热电动势对测量准确度的影响，以及如何通过数据分析修正温度对测量准确度的影响 [10-13] 。
除分流器的温度特性之外，影响分流器电流测量电路性能的关键因素还包括分流器的分布电感、信号处理电路的静态和动态性能等。在小量程电流检测时，分流器测量电路具有准确度高、响应速度快、线性度好等优点。