「感应器原理」电流传感器分类及主要原理

感应器原理

关于磁场磁通量的知识全还给体育老师了，赶紧直接上干货，根据百度百科电流传感器依据测量原理不同，主要可分为：分流器、电磁式电流互感器、电子式电流互感器等。

分流器

分流器是指测量直流电流用的，根据直流电流通过电阻时在电阻两端产生电压的原理制成。分流器实际就是一个阻值很小的电阻，当有直流电流通过时，产生压降，供直流电流表显示。所谓分流，即分一小的电流去推动表指示，该小电流（mA)与大回路里的电流(1A-几十A）比例越小，电流表指示读数的线性就越好，也更精确。

图1. 检测大电流分流器就是由一个或多跟导体组成

电流互感器（CT）

电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器（只能用于交流测试）。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中。正常工作状态下，一、二次绕组上的压降很小，相当于一个短路状态的变压器，所以铁芯中的磁通 $\varphi$ 也很小，这时一、二次绕组的磁势F（F=IN）大小相等，方向相反。即电流互感器一、二次之间的电流比与一、二次绕组的匝数成反比，即I1/I2=N2/N1。

图2. 电流互感器原理图及实物图

电流互感器运行时，二次侧不允许开路。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，电流互感器二次侧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。

具体原因原因如下：电流互感器一次被测电流磁势F1=I1N1在铁芯产生磁通Φ1，二次测量仪表电流磁势F2=I2N2在铁芯产生磁通Φ2，电流互感器铁芯合磁通为Φ = Φ1 + Φ2，由于Φ1.Φ2方向相反，大小相等，互相抵消，所以 Φ = 0。若二次开路，即 I2 = 0 ，则：Φ = Φ1，电流互感器铁芯磁通很强，饱和，铁心发热，烧坏绝缘，产生漏电，并且在电流互感器二次线圈N2中产生很高的感生电势E，在电流互感器二次线圈两端形成高压，危及操作人员生命安全。因此电流互感器二次线圈一端接地，就是为了防止高压危险而采取的保护措施。

电压互感器的原理与变压器相似，一次绕组（高压绕组）和二次绕组（低压绕组）绕在同一个铁芯上，铁芯中的磁通为 $\varphi$ 。根据电磁感应定律，绕组的电压U（或电动势E）、绕组的匝数N、磁通 $\varphi$ 的关系为：U1=-N1dφ/dt、U2=-N2dφ/dt。进而得出：U1/U2=N1/N2。在空载电流可以忽略的情况下，有I1/ I2=-N2/N1，因此理想变压器原、副线圈的功率相等P1=P2。说明理想变压器本身无功率损耗。

图3. 电压互感器原理图及实物图

按照用途不同，电流互感器大致可分为两类：

1. 测量用电流互感器（或电流互感器的测量绕组）：在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息。

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（中国规定电流互感器的二次额定为5A或1A）。通常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。正常工作时互感器二次侧处于近似短路状态，输出电压很低。在运行中如果二次绕组开路或一次绕组流过异常电流（如雷电流、谐振过电流、电容充电电流、电感启动电流等），都会在二次侧产生数千伏甚至上万伏的过电压。

2. 保护用电流互感器（或电流互感器的保护绕组）：在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。

保护用电流互感器分为：1）过负荷保护电流互感器；2）差动保护电流互感器；3）接地保护电流互感器（零序电流互感器）。保护用电流互感器的工作条件与测量用电流互感器完全不同，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。

霍尔传感器

霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

说人话就是对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流 I 固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。

图4. a) 霍尔效应 b) 闭环式磁平衡式电流传感器 c)实物图

图4b)为磁平衡式电流传感器通过产生补偿电流保证闭环磁通量φ=0来维持磁平衡。其具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。

从应用角度，电流互感器与霍尔传感器相同之处在于都需要一次线圈产生磁场。不同之处之一在于互感器需要变化的磁场，而霍尔传感器可以是恒定的磁场，因此，前者只能用于交流测试，而后者可以用于交流和直流测试。不同之处之二在于互感器有铁芯，而霍尔传感器没有铁芯，前者对于频率来讲是非线性的，后者是线性的，因此前者适用的频段较窄，一般用于固定频段（如45~66Hz），后者频段较宽。不同之处之三是互感器较多的用于电能计量，相位指标是测量用互感器的重要指标。而霍尔传感器较多的用于控制或简单的电压、电流独立测试，一般不控制相位指标，也不提供相位指标（如50Hz的相位误差指标）。

电流传感器分类及主要原理