详解电流传感器技术

在任何过程中，电量的测量对于监控、分析和控制系统都是必不可少的。要执行这些类型的测量，必须使用电流传感器。除非可以测量，否则无法管理物理量。让我们深入了解电流传感器的行为。

电流传感器  

电流传感器是将电流信号转换为另一个可分析信号的设备。要测量的信号称为“初级电流”，而输出信号称为“次级电流或电压”。最后一个信号是用于电子板、ADC 和其他模拟仪表的信号。由于存在不同的测量技术，并且初级电流可能因波形、脉冲类型、隔离和电流强度而异，因此市场提供了多种电流传感器。如图 1 所示，最常见的电流传感器分为两类：

根据“分流器”的工作原理，第一类应用欧姆定律 ( V = R × I )。

第二类使用安培定律（I = ∮ H × ds）并使用磁场来测量电流。

图 1：不同的电流测量方法

欧姆定律适用于分流测量，公式为V = R × I。在实践中，分流器是具有已知欧姆值的稳健电阻器。当电流通过分流器时，产生的电压与该电流成正比。利用这个原理，对于不太高的电流，我们可以准确地获得交流和直流电流。另一方面，当电流上升并超过 100 A 时，会产生过多的热量，测量系统可能会变得无效和关键。

霍尔效应电流传感器可用于克服这些限制。为霍尔探头供电会施加垂直于表面的磁场并产生与磁场强度成比例的电压。然后可以使用安培定律计算流过导体的电流量。霍尔电流传感器使用磁芯将磁场集中在探头所在的气隙中。输出电压与磁场成正比，而磁场又与初级电流成正比。电流传感器的性能取决于开环霍尔探头的性能。为了提高线性度和减少温度偏移的漂移，实现了闭路原理，另一种电流传感器以磁电阻器为代表，其中电阻器的值与磁场成比例变化。这些电流传感器通常比霍尔效应更准确，但由于气隙而存在灵敏度限制。然而，设备必须确保高效和准确的测量，具有非常高的检测质量、极其平坦的频率响应和出色的直流稳定性。所有这些特性都可以在 Danisense 的电流传感器中找到，该公司提供定制的解决方案以满足客户的确切需求。

电流测量方法  

可以使用 LT6106 集成电路执行电流测量，这是一款用于电流检测的多功能放大器（参见图 2中的应用图）。其特点备受推崇：

最大电压偏移：250 µV

最大输入偏置电流：40 nA

只需两个电阻即可设置设备的增益

准确度：1%

最大输出电流：1毫安

PSRR：106分贝

其主要应用是汽车和工业、电池监控、能源管理、发动机控制、灯监控以及过流和故障检测。该设备通过检测外部电阻器（分流电阻器）两端的电压来测量电流。内部电路将此电压转换为输出电流。LT6106 的极低电源电流也使其适用于电池应用。

图 2：采用 LT6106 器件的负载电流表示例

一旦您了解了其工作原理，您就可以使用欧姆定律和功率方程轻松配置设计以满足您的所有需求。在示例接线图配置中，电源为 30 V，并以大约 1.57 A 的电流为 19-Ω 负载供电。0.01-Ω 分流电阻器不影响系统的运行，其功耗约为 25 mW . 配置配置电阻器以使放大器的增益为单位。在这种情况下，输出电压（绝对值）等于流过负载的电流。综合效率非常高，肯定超过99.8%。显然，这种解决方案不能用于非常高的电流。

使用电流传感器代替分流器  

使用电流传感器代替分流器具有很大的优势。分流器，其实并不是一个理想的元件，但是从前面的接线图中可以看出，它有一个电感元件（串联）和一个电容元件（并联）。因此，不仅需要在直流中进行电流测量，还需要在交流中进行电流测量，因此需要使用更有效的方法，以便在不同的频率和电流范围内做出更好的估计，从而获得更高的结果准确性。

电流传感器具有将初级电路与次级电路电隔离的优点。这消除了共模电压纹波的干扰，并大大降低了初级电流上的噪声。与分流器相比，电流传感器的输出信号更高，噪声更低。低得多的插入阻抗降低了功耗，无疑提高了系统的短期和长期稳定性。

一个简单的例子阐明了这个想法：用于在 1,500 A 下提供 50 mV 的分流电阻器的功耗为 75 W。实际上，它的阻抗为 0.000033 Ω。为了实现高测量稳定性和可重复性，分流器需要非常低的温度系数。如果系统在低电流或高电流下使用，则以伏特/安培为单位的灵敏度会有所不同。例如，DL2000UB-10V 电流传感器的有效插入阻抗小于 0.5 µΩ，初级电路中的有效功耗在 1,500 A 时小于 1 W，比之前的分流器小 100 倍。即使初级电流非常低，信噪比也非常高。图3中的表格，显示了 DS、DM、DL 和 DQ 系列的 Danisense 电流传感器的摘录。这些传感器是超稳定和高精度的，并且基于闭环工作原理，可随着时间的推移提供出色的线性度和稳定性。

图 3：DS、DM、DL 和 DQ 系列换能器型号

从广义上讲，换能器组合的某些型号可分为以下几类：

0 A 至 600 A 的传感器

DP50IP-B (72A)

DC200IF (300A)

DS400ID (600 A)

DS50UB-1V (150 A)

600 A 至 3,000 A 的传感器

DM1200ID (1,800 A)

DL2000ID (3,000 A)

DL2000ID-CB100 (3,000 A)

DL2000UB-10V (2,200 A)

大于 3,000 A 的传感器

DR5000IM (8,000 A)

DR10000IM (11,000 A)

DR5000UX-10 V/7,500 A (8,000 A)

其中一些提供电流输出，而另一些提供电压。许多有趣的模型之一是 DM1200UB-1V（图 4)，一种超稳定和高精度的传感器，用于测量高达 1,800 A 的非侵入式和隔离式直流和交流电。其开口直径为 45 毫米，该宽度允许大型绝缘电缆和高精度测量泄漏电流的可能性。凭借 15 ppm 的线性度和 10 ppm 的偏移，其闭环技术可实现非常精确的测量。机身完全由铝制成，以改善 EMI 屏蔽和广泛的工作温度。它的应用范围从功率测量和分析到稳定电源的构建，从粒子加速器到精密驱动器，从电池测试和评估系统到电力系统校准。以下是该设备的一些电气特性：

额定初级交流电流：最大。1,200 武器

标称初级直流电流：最大。1,200 安

测量范围：从 –1,800 A 到 1,800 A

标称电压输出：–1 V 至 1 V

一次/二次比：0.8333 V/kA

线性误差：从 –15 ppm 到 15 ppm

带宽 (3 dB)：400 kHz

幅度误差（10 Hz 至 3 kHz）：0.01

幅度误差（3 kHz 至 50 kHz）：1

幅度误差（50 kHz 至 300 kHz）：20

电源电压：±14.25 V 至 ±15.75 V

正电流消耗：140 mA

负电流消耗：130 mA

工作温度范围：–40˚C 至 65˚C

图 4：DM1200UB-1V 传感器

结论  

今天，所有工业系统都有电流传感器，在某些情况下，它们是不可替代的。它们的主要优点是它们可以被工业控制系统使用和轻松解释，并且与电路和负载完全隔离。事实上，将测量系统直接连接到相关电路并不总是很方便。它们的足迹是非侵入性的，它们通常具有方形或矩形形状，可能类似于小型扬声器。但是，它们的功能非常重要。换能器操作背后的工程相当复杂，但其操作和输出数据的分析却极其简单，这是最重要的方面。

　审核编辑：汤梓红