传感器测电流[A类基础]

1、电流的测量电流的测量 高琦 2011年9月28日 1a教类 常用的测电流工具常用的测电流工具 指针式电流表 数字万用表 钳形表 示波器 2a教类 指针式电流表指针式电流表 原理：应用磁电原理工作，驱动指针运动， 依靠指针在面板上停留位置来显示的度数的 电流表。 使用方法： (1)使用前应先检查指针是否指零。 (2)必须要把电流表串联在电路中。 (3)要使电流从标有“+” 接线柱流入电流表, 从标有“”的接线柱流出电流表。 (4)不允许把电流表直接接到电源的两极。 (5) 被测电流的大小不能超过电流表的量程。 3a教类 数字万用表数字万用表 原理：在直流数字电压表DVM的基础上增加了一 些转换器

2、而构成。在测量时先把被测量通过不同 的转换器转换成直流电压，然后再用数字电压表 进行电压测量，从而得到被测量的数值. 使用方法： （1）熟悉面板上各开关、按键、插孔、旋钮等功 能及操作方法。 （2）DMM在开始测量时会出现跳数现象，应等显 示值稳定后再读数，否则会有误差。 （3）在测量时，红表笔接“V、”插孔，带正电 ；黑表笔接“COM”插孔，带负电。 （4）使用时一般手握表笔操作，手不要接触表笔的 金属部分，以保证安全和测量准确。 （5）每次使用完仪表应将开关拔到“OFF”位置。 4a教类 钳形表钳形表 原理：钳形表(钳表)，是集电流互感器与电流表于一身的仪 表，其工作原理与电流互感器测电流

3、是一样的。电流互感器 的铁心在捏紧扳手时可以张开；被测电流所通过的导线可以 不必切断就可穿过铁心张开的缺口，当放开扳手后铁心闭合 ，穿过铁心的被测电路导线就成为电流互感器的一次线圈， 其中通过电流便在二次线圈中感应出电流。从而使二次线圈 相连接的电流表便有指示-测出被测线路的电流。 使用方法: （1）测量前要机械调零 （2）选择合适的量程，先选大，后选小量程或看铭牌值估算。 （3）当使用最小量程测量，其读数还不明显时，可将被测导线 绕几匝，匝数要以钳口中央的匝数为准。 （4）测量完毕，要将转换开关放在最大量程处。 （5）测量时，应使被测导线处在钳口的中央，并使钳口闭合紧 密，以减少误差。 5a

4、教类 示波器示波器 原理：示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子 束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的 光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔 的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的 变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随 时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的 电量。 使用方法：示波器测量时是属于电压测量法，它测 量是类似于电压表，并具有较高的输入电阻，它是 不能串联在电路中进行测量的。所以示波器测量电 路中电流时，根据不影响电路工作的前提下，一般 是在电路中串联一个小电阻，（比如：1 欧姆）然 后测量这个电阻上的压降，便可换算出电流。这个 1 欧姆的电阻我们

5、就称呼它叫“取样电阻”。 6a教类 可用于测电流的传感器可用于测电流的传感器 （1）电流互感器 （2）霍尔传感器 （3）采样电阻 （4）光纤电流传感器 7a教类 电流互感器电流互感器 原理:电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流 互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组 匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它 经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多 ，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工 作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和 保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作 状态接近短路。 作用:电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电 流通过一定的变比转换为数值

6、较小的二次电流，用 来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互 感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流. 8a教类 接线方法： 1）电流互感器的接线应遵守串联原则：即一次绕阻应与被测电路串 联，而二次绕阻则与所有仪表负载电流互感器串联。 2）按被测电流大小，选择合适的变化，否则误差将增大。同时，二 次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压 侧，造成人身和设备事故。 3）二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁 化电流，引起m和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至 烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。电流互感器在 正常工

7、作时，二次侧近似于短路，若突然使其开路，则励磁电动势由 数值很小的值骤变为很大的值，铁芯中的磁通呈现严重饱和的平顶波 ，因此二次侧绕组将在磁通过零时感应出很高的尖顶波，其值可达到 数千甚至上万伏，危机工作人员的安全及仪表的绝缘性能。 4）电流互感器的接线方式按其所接负载的运行要求确定。最常用的 接线方式为单相，三相星形和不完全星形 9a教类 电流互感器的分类 （1）测量用电流互感器 原理：在测量交变电流的大电流时，为便于二次 仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定 电流互感器的二次额定为5A或1A），另外线路上 的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流 互感器就起到变流和电气隔离作用。

8、它是电力系 统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一 次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流 按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一 次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。 测量方法：电流互感器1次侧只有1到几匝，导线 截面积大，串入被测电路。2次侧匝数多,导线细 ，与阻抗较小的仪表(电流表/功率表的电流线圈) 构成闭路。电流互感器的运行情况相当于2次侧短 路的变压器，忽略励磁电流，I1N1=I2N2。电流互 感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫 实际电流比I1/I2=N2/N1=k。 10a教类 （2）保护用电流互感器 保护用电流互感器主要与继电装置配 合，在线路发生短路

9、过载等故障时， 向继电装置提供信号切断故障电路， 以保护供电系统的安全。保护用微型 电流互感器的工作条件与测量用互感 器完全不同，保护用互感器只是在比 正常电流大几倍几十倍的电流时才开 始有效的工作。 保护用互感器主要要求： 1.绝缘可靠。 2.足够大的准确限值系数。 3.足够的热稳定性和动稳定性。 11a教类 使用注意事项 电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原 边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常 值而危及人身和设备安全。因此，电流互感器副边回路中 不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下电流表 、继电器等设备。 12a教类 霍尔传感器霍尔传感器 1.工作原理

10、：霍尔传感器是根据 霍尔效应制作的一种磁场传感 器。 2.霍尔效应：在导体上外加与电 流方向垂直的磁场，会使得导 线中的电子与空穴受到不同方 向的洛伦兹力而往不同方向上 聚集，在聚集起来的电子与电 洞之间会产生电场，此一电场 将会使后来的电子空穴受到电 力作用而平衡掉磁场造成的洛 伦兹力，使得后来的电子电洞 能顺利通过 不会偏移，此称为 霍尔效应。而产生的内建电压 称为霍尔电压。 13a教类 霍尔电势UH 霍尔系数 灵敏度系数 电流与磁场的夹角 结论： (1)霍尔电势与I、B成正比 ； （2）灵敏度与电荷密度成 正比、与材料厚度成反比. cos HH UK IB 1 () H Rne / HH

11、 KRd 14a教类 3.霍尔元件： 霍尔元件具有霍尔效应的元件 结构与电路符号： 4/5引脚单片封装，电路符号 电器特性： 霍尔电势电流特性UH-I：线性； 霍尔电势磁场特性UH-I ：B0.5T时线性较好； 输/入出电阻磁场特性R-B：磁场增加，内阻增大. 使霍尔电势降低. 15a教类 4.霍尔电流传感器 测量原理：原理：当电流流过一根长的 直导线时，在导线周围产生 磁场，磁场的大小与流过导 线的电流大小成正比，这一 磁场可以通过软磁材料来聚 集，然后用霍尔器件进行检 测，由于磁场的变化与霍尔 器件的输出电压信号有良好 的线形关系，因此可利用霍尔器件的测得的输出信号， 直接反应出导线中的电

12、流大小： I B VH 式中：B为导线通电流后产生的磁感应强度；I为通过导线 中的电流；VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压。当 选择适当的比例系数，上述关系可以表示为等式。 对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路 ，但总体来讲可分为两类，一类为开环霍尔电流传感器； 另一类为闭环霍尔电流传感器。 16a教类 霍尔电流传感器的分类： （1）开环霍尔电流传感器 原理：载流导线被夹持在电流 传感器的铁芯中，导线上的电流 越大，产生的磁感应强度B 也越 大，霍尔元件产生的霍尔电势与 被测导线中的电流成正比。直流 和交流电流均可产生霍尔电势， 所以霍尔电流传感器有取代电流互感器的趋势。在

13、霍尔电流传感器中， N P被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取N P=1；NS为厂家所设定的 “二次侧线圈的匝数”。因此有： 依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流IS就可以计算得到被测 电流 。 P S S P I I N N 17a教类 将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接信号放大，得 到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流大 小。 开环霍尔传感器的优缺点 优点：电路形式简单； 成本相对较低； 缺点：精度、线性度较差； 响应时间较慢； 温度漂移较大。 18a教类 （2）闭环霍尔传感器 原理：闭环霍尔电流 传感器的工作原理是磁平衡 式的，即原边电流（IN）所 产生的磁场，通过一

14、个副边 线圈的电流（IM）所产生的 磁场进行补偿，使霍尔器件 始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的 磁场在磁芯中达到平衡时： NIN= nIM 式中：N为原边线圈的匝数；IN为原边电流；n为副边线圈的 匝数;IM为副边补偿电流。 由上式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通 过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算出原边电流IN的 值，从而实现了原边电流的隔离测量。 19a教类 采样电阻采样电阻 如图为一电流控制系统原理图 ， 即为采样电阻. 根据欧盟定律 ，即可求得该点电流值。 S R / s IU R 采样电阻一般使用的 都是精密电阻，阻值 低，精密度高，一般 在阻值精密

15、度在1% 以内 ，更高要求的用途时 会采用0.01%精度的电 阻。 20a教类 （1）采样电阻工作原理： 采样电阻又称为电流感应电阻，电 流检测电阻。用简单的话描述就是 一个阻值较小的电阻，串联在电路 中用于把电流转换为电压信号进行 测量。取样电阻功能上就是做为参 考，通常用在反馈电路里，以稳压 电源电路为例，为使输出的电压保 持恒定状态，要从输出电压取一部 分电压做参考。一般使用在电源产 品，或者电子，数码，机电产品的 电源部分，功能强大。在众多电子 产品上均常看到取样电阻。 （2） 采样电阻的优缺点： 电阻采样必须将电阻接到被测回路 中，不管电阻多小对回路总有些微 影响，但取温飘、噪声系数

16、小的电 阻后，再仔细设计电路可以得到相 当高的精准度。 21a教类 光纤传感器光纤传感器 （1）产生背景： 输电线路是电力系统的重要组成部分，其准确性关系 到电网的稳定运行。随着电网运行等级的提高，对输电线 路的各项参数测量变得尤为重要，其中输电线路的传输电 流大小是关注的重点，因为传 统的基于电磁原理的电流 互感器已经不能满足实际测量的需要。因此，针对输电线 路传输电流，提出一种基于电流热效应和光纤荧光测量技 术的测量系统，实现对5001 000 A以上的大电流的在线 测量和分析。即光纤传感器。 （2） 原理： 光纤电流互感器检测系统按电压等级分为两个部分， 高压侧和低压侧。高压侧主要通过罗