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          磁通門電流傳感器原理簡介

          • 瀏覽次數:19315次
          • 發布時間:2017/7/24 15:43:26
          • 作者:ly_yinhe

            電流傳感器有多種類型,如霍爾傳感器、電子式互感器、磁通門電流傳感器等。目前電流傳感器多是以電磁耦合為基本工作原理的,而磁通門電流傳感器是一種是以磁通門技術為基本原理,加上閉環控制在電子電路中的應用,下面本文就對磁通門電流傳感器的原理及構成等進行介紹。

          磁通門原理

            磁通門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。目前磁通門技術是高性能電流傳感器最好的解決方案,銀河電氣是國內最早進行這方面研究的企業,其研制的同時基于磁調制和磁平衡原理的CS系列零磁通電流傳感器在市場上已經得到了非常好應用。

          磁通門電流傳感器構成及工作原理

          01磁通門電流傳感器工作原理

          磁通門繞組結構圖

          圖1:磁通門繞組結構圖

            下面本文以結構簡單并且應用較廣泛的一種單繞組磁通門進行介紹。如圖1所示:環形磁芯上繞有線圈,此繞組即作為激勵繞組又作為測量繞組,所測電流從磁環中間穿過。

          普通磁環B—H曲線

          圖2:普通磁環B—H曲線

            一般磁性材料都有S形狀曲線的特性,稱之為磁滯回路(hysteresis loop),如圖2所示。此磁滯回路曲線建立在B—H的坐標軸上,為磁性材料遭受完全磁化與非磁化周期,圖示為典型磁滯曲線的鐵心,如果曲線由a點開始,此點表示最大正磁化力,至b點磁化力為零,然后下降至c點為最大負磁化力,再至d點磁化力為零,最后返回最大正磁化力的a點,此即為整個磁性周期。高導磁率、低矯頑力磁芯的磁滯回線如圖3所示。

          高u磁環的B—H曲線

          圖3:高u磁環的B—H曲線

            當我們在磁環導線中加入電流分量后,電流所產生的磁場會使原本對稱的B-H磁滯回線會改變中心線變成如圖4所示形狀。

          加入直流的高u磁環B—H曲線

          圖4:加入直流的高u磁環B—H曲線

            假設激勵磁場強度為:Hmcosωt,就能得到磁通門磁芯上的總磁場強度為:

          1……1

            式中:

            H 0——為導線電流在環形磁芯上的磁場強度;

            H m——為激勵磁場強度幅值;

            ω——為激勵場角頻率。

            則線圈中的感應電動勢:

          2……2

            式中:

            N——為繞組線圈匝數;

            S——為環形磁芯的截面積;

            uTd——為磁芯物質的微分磁導率。

            根據磁飽和特性,當H0 =0時,H(t)= Hm cosωt,在磁飽和作用下磁感應強度為:

          3……3

            式中:Ba為磁化曲線飽和段延長線在B 軸上的截距,顯然,B(t)是對時間軸上下對稱的平頂波,根據傅里葉級數分析,它只含奇次諧波不含偶次諧波。

            當外磁場H0≠0時,H(t)= H0+Hm cosωt,B(t)的表達式為:

          4……4

            這時,B(t)成為上下不對稱的平頂波,根據傅里葉級數分析可知,它不僅含有奇次諧波還含有偶次諧波。而由式2可知,E(t)和B(t)應含有相似的波形成分,因此,可以根據E(t)在激勵周期內的振幅的上下不對稱來檢測外電流所產生的磁場B0,從而達到測量電流的目的。

            整個過程可以概括為:當磁通門式電流傳感器工作時,激勵線圈中加載一固定頻率、固定波形的交變電流進行激勵,使磁芯往復磁化達到飽和。在不存在外在電流所產生的被測磁場時,則檢測線圈輸出的感應電動勢只含有激勵波形的奇次諧波,波形正負上下對稱。當存在直流外在被測磁場時,則磁芯中同時存在直流磁場

            和激勵交變磁場,直流被測磁場在前半周期內促使激勵場使磁芯提前達到飽和,而在另外半個周期內使磁芯延遲飽和。因此,造成激勵周期內正負半周不對稱,從而使輸出電壓曲線中出現振幅差。該振幅差與被測電流所產生的磁場成正比,因此可以利用振幅差來檢測磁環中所通過的電流。

          02磁通門電流傳感器的系統構成

          磁通門電流傳感器系統構成框圖

          圖5:磁通門電流傳感器系統構成框圖

            電流傳感器的系統框圖5所示。電流所產生的的磁場在磁通門探頭內經激勵信號調制后,通過峰值檢波和積分濾波電路產生有用的電壓信號,然后經過反饋,使電流傳感器工作在零磁通狀態。


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