基本介紹
- 中文名：電流感測器
- 外文名：current sensor
- 類型：檢測裝置
- 作用：感受到被測電流的信息
- 功能：變換成為符合標準的電信號
- 套用：開關電源、硬開關、軟開關、
- 原理：霍爾磁平衡原理
- 電流參數：LF-AI12-32A1-0.5/0~5A
定義,分類,霍爾感測器,概述,工作原理,特性參數,安裝方法,測量方法,抗干擾性,感測器標定,性能指標,注意事項,新型產品,套用領域,未來趨勢,
定義
電流感測器也稱磁感測器，可以在家用電器、智慧型電網、電動車、風力發電等等，在我們生活中都用到很多磁感測器，比如說電腦硬碟、指南針，家用電器等等。
分類
電流感測器依據測量原理不同，主要可分為：分流器、電磁式電流互感器、電子式電流互感器等。
與電磁式電流感測器相比較，電子式電流互感器沒有鐵磁飽和，傳輸頻頻寬，二次負荷容量小、尺寸小、重量輕、是今後電流感測器的發展方向。
光纖電流感測器是以法拉第磁光效應為基礎、以光纖為介質的新型電流感測器。
當線偏振光在介質中傳播時，若在平行於光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ=V*B*l，比例係數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決於介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應。1845年由M.法拉第發現。
霍爾感測器
概述
AIC是“特製積體電路”的英文縮寫，它是八十年代末迅速發展起來的一項高技術產品。從設計思想、研製手段，直到測試方法，使與傳統的通用積體電路有質的區別，是將超大規模積體電路(VLSI)的工藝技術、計算機輔助設計(CAD)、自動測試技術(ATE)三者結合的豐碩成果。套用在變送器上，即為變送器專用厚膜電路。ASIC電路的變送器把變送器的轉換電路和輸出電路(即大部分電子電路)全部集成到一塊定製的晶片上，大大減少了元器件的數量，整個變送器僅有CT、PT、電源、大電容、ASIC晶片等少數幾個器件，從而可大大提高整個變送器的可靠性和長期穩定性。
工作原理
霍爾原理電流感測器是基於霍爾磁平衡原理（閉環）和霍爾直測式（開環）兩種基本原理。
開環電流感測器的原理：原邊電流IP產生的磁通被高品質磁芯聚集在磁路中，霍爾元件固定在很小的氣隙中，對磁通進行線性檢測，霍爾器件輸出的霍爾電壓經過特殊電路處理後，副邊輸出與原邊波形一致的跟隨輸出電壓，此電壓能夠精確反映原邊電流的變化。
電流感測器霍爾電流感測器可以測量各種類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據的工作原理主要是霍爾效應，如圖1所示。
當原邊導線經過電流感測器時，①原邊電流IP會產生磁力線，②原邊磁力線集中在磁芯周圍，③內置在磁芯氣隙中的霍爾電極可產生和原邊磁力線成正比的大小僅幾毫伏的電壓，④電子電路可把這個微小的信號轉變成副邊電流IS，⑤並存在以下關係式：
(1)
其中，IS—副邊電流；
IP—原邊電流；
NP—原邊線圈匝數；
NS—副邊線圈匝數；
NP/NS—匝數比，一般取NP=1。
電流感測器的輸出信號是副邊電流IS，它與輸入信號（原邊電流IP）成正比，IS一般很小，只有100~400mA。如果
輸出電流經過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號。
特性參數
標準額定值IPN和額定輸出電流ISN
IPN指電流感測器所能測試的標準額定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小與感測器產品的型號有關。
ISN指電流感測器額定輸出電流，一般為100~400mA，某些型號可能會有所不同。
感測器供電電壓VA
VA指電流感測器的供電電壓，它必須在感測器所規定的範圍內。超過此範圍，感測器不能正常工作或可靠性降低，另外，感測器的供電電壓VA又分為正極供電電壓VA+和負極供電電壓VA-。
測量範圍Ipmax
測量範圍指電流感測器可測量的最大電流值，測量範圍一般高於標準額定值IPN。測量範圍可用下式計算：
(2)要注意單相供電的感測器，其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍，所以其測量範圍要高於雙相供電的感測器。
過載
電流感測器的過載能力參見圖2。發生電流過載時，在測量範圍之外，原邊電流仍會增加，而且過載電流的持續時間可能很短，而過載值有可能超過感測器的允許值，過載電流值感測器一般測量不出來，但不會對感測器造成損壞。
精度
霍爾效應感測器的精度取決於標準額定電流IPN。在+25℃時，感測器測量精度受原邊電流影響的曲線如圖3所示，使用下面公式可計算出精度：
(3)
其中，K=NS/NP。
計算精度時必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。
偏移電流ISO
偏移電流也叫殘餘電流或剩餘電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀態不穩造成的。電流感測器在生產時，在25℃，IP=0時的情況下，偏移電流已調至最小，但感測器在離開生產線時，都會產生一定大小的偏移電流。產品技術文檔中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。
線性度
參見圖4，線性度決定了感測器輸出信號（副邊電流IS）與輸入信號（原邊電流IP）在測量範圍內成正比的程度，ABB公司的電流感測器線性度要優於0.1%。
電流感測器
電流感測器溫度漂移
偏移電流ISO是在25℃時計算出來的，當霍爾電極周邊環境溫度變化時，ISO會產生變化。因此，考慮偏移電流ISO的最大變化是很重要的，這可以通過下式計算：
其中，CV（Catalogue value）是指電流感測器性能表中的溫度漂移值，例如：對CS2000BR型來說，CV為0.5×10-4/℃，最大溫度Tmax為-40℃，額定輸出電流為400mA，則偏移電流的最大變化為：Ma
安裝方法
霍爾電流感測器產品說明一般由“感測器產品型號”和“生產日期”兩部分構成[5]。“感測器產品型號”用於標明感測器的型號、額定測量值、標準型或非標準型。“感測器生產日期”則是由8位數字構成，表明感測器的生產年份、日期（一年中的第幾日）及感測器序列號。
霍爾電流感測器產品很多，每種感測器的外形結構、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種典型的外形結構及安裝接線方法。
MP25P1型
MP25P1電流感測器是ABB公司中一種量程很小的感測器，所能測量的額定電流為5、6、8、12、25A，原邊管腳的不同接法可確定額定測量電流為多少，參見圖5。
ES300C型
如MP25P1一樣，一般感測器都有正極（+）、負極（-）、測量端（M）三個管腳，但ES300C則沒有此三個管腳，而是有紅、黑、綠三根引線，分別對應於正極、負極及測量端。同時在ES300C型感測器中有一內孔，測量原邊電流時要將導線穿過該內孔。
不管是MP25P1還是ES300C型等電流感測器，安裝時管腳的接線應根據測量情況進行相應連線。
（1）在測量交流電時，必須強制使用雙極性供電電源。即感測器的正極（+）接供電電源“+VA”端，負極接電源的“-VA”端，這種接法叫雙極性供電電源。同時測量端（M）通過電阻接電源“0V”端。
（2）在測量直流電流時，可使用單極性或單相供電電源，即將正極或負極與“0V”端短接，從而形成只有一個電極相接的情況，其接法共有四種（見圖6和圖7）。
在感測器產品中，標有“-N”標誌的表示該感測器沒有電源意外倒置防護措施；標有“-P”標誌的則表示該感測器具有防護措施。圖6是無保護二極體時的單極性供電電源安裝接線方法，圖7是加有保護措施的感測器的接法。
(3)具有禁止作用的感測器的連線方法
ABB公司的部分電流感測器具有電磁禁止作用，其產品外殼上會多一個“E”標誌的連線埠，其連線方式有兩種：將禁止端和負極（-VA）或零線（0V）相連，如圖8所示。
另外，安裝時必須全面考慮產品的用途、型號、量程範圍、安裝環境等。比如感測器應儘量安裝在利於散熱的場合；如果環境只適於垂直安裝，則必須選擇帶“V”字標誌的感測器（如CS300 BRV）。
測量方法
除了安裝接線、即時標定校準、注意感測器的工作環境外，通過下述方法還可以提高測量精度：
1、原邊導線應放置於感測器內孔中心，儘可能不要放偏；
電流感測器
電流感測器2、原邊導線儘可能完全放滿感測器內孔，不要留有空隙；
3、需要測量的電流應接近於感測器的標準額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個額定值很高的感測器，而欲測量的電流值又低於額定值很多，為了提高測量精度，可以把原邊導線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當用額定值100A的感測器去測量10A的電流時，為提高精度可將原邊導線在感測器的內孔中心繞九圈（一般情況，NP=1；在內孔中繞一圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與感測器的額定值相等，從而可提高精度）；
4、當欲測量的電流值為IPN/5的時，在25℃仍然可以有較高的精度。
抗干擾性
1、電磁場
閉環霍爾效應電流感測器，利用了原邊導線的電磁場原理。因此下列因素直接影響感測器是否受外部電磁場干擾。
A1直流電流變送器
A1直流電流變送器(1)感測器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；
(2)外部導線與感測器的距離、外部導線的形狀、位置和感測器內霍爾電極的位置；
(3)安裝感測器所使用的材料有無磁性；
A3單相交流電流變送器
A3單相交流電流變送器(4)所使用的電流感測器是否禁止；
為了儘量減小外部電磁場的干擾，最好按安裝指南安裝感測器。
2、電磁兼容性
電磁兼容性EMC，（Electro -Magnetic Compatibility ）是研究電氣及電子設備在共同的電磁環境中能執行各自功能的共存狀態，即要求在同一電磁環境中的上述各種設備都能正常工作而又互不干擾，達到“兼容”狀態的一門學科[8]。空間電磁環境的惡化越來越容易使電子元器件之間因互不兼容而引發系統的誤動作，因此電工、電子設備電磁兼容性檢測極有必要。由於實際生產、科研及市場推廣的迫切需要，採用已通過電磁兼容性檢測的電流和電壓感測器已形成共識，並已成為一個強制性標準。ABB公司的所有電流感測器自1996年1月1日起，均已通過了EMC檢測。
感測器標定
1、偏移電流ISO
偏移電流必須在IP=0、環境溫度T≈25℃的條件下進行校準，按圖9方法（雙極性供電）接線，且測量電壓VM必須滿足：
VM≦RM×ISO (5)
2、精度
在IP=IPN（AC or DC）、環境溫度T≈25℃、感測器雙極性供電、RM為實際測量電阻的條件下進行測量，其接線如圖10所示，並用公式(3)計算精度。
3、保護性測試
霍爾電流感測器在測量電路短路、測量電路開路、供電電源開路、原邊電流過載、電源意外倒置的條件下都可受到保護。對上述各項測試舉例如下：
（1）測量電路短路
此項測試必須在IP=IPN、環境溫度T≈25℃、感測器雙向供電、RM為實際套用中的電阻條件下進行，連線圖如圖11所示，開關S應在一分鐘之內合上和打開。
（2）測量電路開路
此項測試條件為IP=IPN、環境溫度T≈25℃、感測器雙向供電、RM是實際套用中的電阻。測試圖如圖12，開關S應在一分鐘之內完成閉合/打開切換動作。
（3）電源意外倒置測試
為防止電源意外倒置而使感測器損壞，在電路中專門加裝了保護二極體，此項測試可使用萬用表測試二極體兩端，測試應在IP=0、環境溫度T≈25℃、感測器不供電、不連線測量電阻的條件下進行。可使用以下兩種方法測試：
第一種：萬用表紅表筆端接感測器“M”端，萬用表黑表筆端接感測器“+”端；
第二種：萬用表紅表筆接感測器負極，萬用表黑表筆接感測器M端；
在測試中，如萬用表鳴笛，說明二極體已損壞。
八、感測器套用計算[5]
根據圖13，電流感測器的主要計算公式如下：
NPIP=NSIS； 計算原邊或副邊電流
VM=RMI； 計算測量電壓
VS=RSIS； 計算副邊電壓
VA=e+VS+VM； 計算供電電壓
其中，e是二極體內部和電晶體輸出的壓降，不同型號的感測器有不同的e值。這裡我們僅以ES300C為例，這種感測器的匝數比NP/NS=1/2000、標準額定電流值IPN=300A rms 、供電電壓VA的範圍為±12V~±20V（±5%）、副邊電阻RS=30Ω ，在雙極性（±VA）供電，其感測器測量量程>100A且無防止供電電源意外倒置的保護二極體的情況下，e=1V。在上述條件下：
電流感測器
電流感測器（1）給定供電電壓VA，計算測量電壓VM和測量電阻RM：
假設：供電電壓VA=±15V
根據上述公式得：
測量電壓VM=9.5V；
測量電阻RM=VM/IS =63.33Ω；
副邊電流IS=0.15A。
所以當我們選用63.33Ω的測量電阻時，在感測器滿額度測量時，其輸出電流信號為0.15A ，測量電壓為9.5V。
（2）給定供電電壓和測量電阻，計算欲測量的峰值電流；
假設：供電電壓VA=±15V，測量電阻RM=12Ω，
則：VM+VS=（RM+RS）×IS =VA-e=14V
而：RM+RS=12W+30W=42W，
則最大輸出副邊電流： A
原邊峰值電流：IPmax=ISmax(NS/NP)=666A
這說明，在上述條件下，感測器所能測量的最大電流即原邊峰值電流為666A。如果原邊電流大於此值，感測器雖測量不出來，但感測器不會被損壞。
（3）測量電阻（負載電阻）能影響感測器的測量範圍。
測量電阻對感測器測量範圍也存在影響，所以我們需要精心選擇測量電阻。用下式可計算出測量電阻：
其中，VAmin—扣除誤差後的最小供電電壓；
e—感測器內部電晶體的電壓降；
RS—感測器副邊線圈的電阻；
ISmax—原邊電流IP為最大值時的副邊電流值。
另外我們可以通過下式確認所選感測器的穩定性。
如果VAmin不符合上式，則會造成感測器的不穩定。一旦出現這種情況，我們可以有以下三種方法克服：
1）更換電壓更大的供電電源；
2）減小測量電阻的值；
3）將感測器更換成RS較小的感測器。
例如，某種型號的電流感測器，其標準額定電流IPN=1000A，匝數比NP/NS=1/2000，e值為1.5V，副邊電阻RS=30Ω，測量電阻RM=15W，用15V電源單極性供電。則VA=30V（單極性供電是雙極性供電的2倍）， 而：
IS=IP×NP/NS =0.5A
VS=RS×IS=15V
VM=RM×IS=7.5V
通過以上檢驗，可知這種感測器在此條件下測量能保證穩定性。它所能測量的原邊電流的最大值（即測量範圍）感測器是能夠受規定的被測量並按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱,通常由敏感元件和轉換元件組成。當感測器的輸出為規定的標準信號時，則稱為變送器。
變送器的概念是將非標準電信號轉換為標準電信號的儀器，感測器則是將物理信號轉換為電信號的器件，過去常講物理信號，隨之其他信號也將出現。一次儀表指現場測量儀表或基地控制表，二次儀表指利用一次表信號完成其他功能：諸如控制，顯示等功能的儀表。
感測器和變送器本是熱工儀表的概念。感測器是把非電物理量如溫度、壓力、液位、物料、氣體特性等轉換成電信號或把物理量如壓力、液位等直接送到變送器。變送器則是把感測器採集到的微弱的電信號放大以便轉送或啟動控制元件。或將感測器輸入的非電量轉換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源。根據需要還可將模擬量變換為數字量。感測器和變送器一同構成自動控制的監測信號源。不同的物理量需要不同的感測器和相應的變送器。還有一種變送器不是將物理量變換成電信號，如一種鍋爐水位計的“差壓變送器”，他是將液位感測器里的下部的水和上部蒸汽的冷凝水通過儀表管送到變送器的波紋管兩側，以波紋管兩側的差壓帶動機械放大裝置用指針指示水位的一種遠方儀表。當然還有把電氣模擬量變換成數字量的也可以叫變送器。以上只是從概念上說明感測器和變送器的區別。
性能指標
* 執行標準：IEC688：1992，
B1單相交流電流變送器
B1單相交流電流變送器* 精度等級：≤1.0%.F.S
* 線 性 度：優於0.2%
* 回響時間：≤10Us
* 頻率特性：0~10KHz
* 失調電壓：≤20mV
* 溫度特性：≤150PPM/℃(0~50℃)
* 整機功耗：≤30 mA
B2直流漏電流感測器
B2直流漏電流感測器* 隔離耐壓：輸入/輸出/外殼間 AC2.0KV/min*1mA
* 過載能力：2倍電流連續，30倍1秒
* 阻燃特性：UL94-V0
* 工作環境：-10℃~50℃，20%~90%無凝露
注意事項
* 注意產品標籤上的輔助電源信息，變送器的輔助電源等級和極性不可接錯，否則將損壞變送器；
* 電流方向與產品外殼上所標的箭頭同向時，才能獲得正向輸出；
* 原邊母線的溫度不應超過60℃，電流母線填滿原邊穿線孔時，獲得最佳測量精度；
* 本系列變送器內部未設定防雷擊電路，當變送器輸入、輸出饋線暴露於室外惡劣氣候環境之中時，應注意採取防雷措施；
* 變送器為一體化結構，不可拆卸，同時應避免碰撞和跌落；
* 請勿損壞或者修改產品的標籤、標誌，請勿拆卸或改裝變送器，否則公司將不再對該產品提供“三包”（包換、包退、包修）服務。
新型產品
霍爾電壓、電流感測器主要用於工業控制和獨立的電壓、電流測量，因此，一般都不標稱與功率測量準確度密切相關的角差指標，因此，不適用於高精度的功率測量。
隨著變頻技術和節能技術的發展，有必要對各類變頻調速裝置的能效進行準確的評測，而電磁式電壓、電流互感器一般只能準確測量工頻正弦電路的功率。新型的變頻功率感測器，是一種電壓、電流組合式感測器，該類感測器直接輸出數字量，並採用光纖進行傳輸，可以有效避免傳輸環節的損耗和干擾。並且在較寬的頻率範圍內具有較小的比差和角差，可以準確測量各類變頻電量（電壓、電流、功率和諧波等）。廣泛套用於混合動力電動汽車、電動車、太陽能發電、風力發電、變頻器、變頻電機和燃料電池等的產品檢驗和能效評測。
英國出現了一種適合於安裝在240伏-600安變電站主線上的電流感測器，這種感測器對變電站的電力輸出進行監控，可以減少地方電網故障所造成的停電時間。電流感測器可以對供電電纜進行電流監控，若是電纜出線超負荷，這些電流感測器可將一部分負荷轉移到其他相中，或者是新鋪設的電纜中，保護電纜的安全使用和運行。
隨著智慧型電網的不斷發展和升級，電流感測器也在技術、設計和效用等方面不斷進行改進和完善，對冶金、化工等行業的電流測流具有重大作用。
基於智慧型電網的光纖電流感測器
新型光纖電流感測器就是智慧型電網快速發展的科技產物。我國推出了XDGDL-1光纖電流感測系統，實現了管線電流感測系統的全數字閉環控制，具有穩定性和線性度好、靈敏度高等特點，滿足了大量程範圍的高精度測量要求。
同時，該系統開發了一種可現場繞制的伸縮結構，安裝方便，可避免雜散磁場的干擾，母線偏心的測量誤差小於正負0.1%，實現了一種高精度信號轉換方案，為整流器控制設備提供高精度模擬信號和標準數字通信接口。
基於TMR（隧道磁電阻）效應的電流感測器：
TMR磁感應技術在2004年首次工業套用於電腦硬碟領域， 使硬碟的存儲密度有了質的飛躍，單碟TB級的存儲硬碟進入民用市場。經過近10年的發展，TMR技術依然煥發勃勃生機。TMR磁感應效應和Hall技術類似，算是第四代磁感應技術。靈敏度，解析度，功耗，溫度特性都有10倍以上的提升。全晶片級製程控制提供可靠的品質和合理的價格。現在國內有些廠家開始推出TMR技術的電流感測器。基於TMR晶片製造的電流感測可以在高靈敏度，溫度穩定性，抗干擾性，小型化、集成化、智慧型化和低功耗方面有著出色的表現。
工業升級發展促進電流感測器改進
在我國工業發展升級的驅動下，電力設備的安全性使用越來越受到重視。電流感測器作為一個兼具保護性和監控作用的工具，將會在未來的電網中起到更重要的意義。相比國外同類產品，國內的電流感測器技術還有很大的差距需要彌補和提高。
國內也逐漸湧現出有很多新型產業，都需要感測器的支持，無論是出於安全性考慮還是市場效益考慮，電流感測器將會趨於更加高效可靠，在低碳環保的要求下，小型化也是未來的一大趨勢，這也將促進國內感測器廠商投入更多的經歷開發新技術和產品。在不久的將來，電流感測器將會在更多行業得到廣泛套用，同時將為新興物聯網打好基礎。
套用領域
電流感測器套用於風力發電：風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×109GW，其中可利用的風能為2×107GW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。風很早就被人們利用--主要是通過風車來抽水、磨麵等，而新世紀，人們感興趣的是如何利用風來發電，以及如何才能發電量最大化。電流感測器作為主要的檢測元件，在其中起到至關重要的作用 。
未來趨勢
電流感測器未來的發展趨勢有以下幾種特點：
1、高靈敏度。被檢測信號的強度越來越弱，這就需要磁性感測器靈敏度得到極大提高。套用方面包括電流感測器、角度感測器、齒輪感測器、太空環境測量。
2、溫度穩定性。更多的套用領域要求感測器的工作環境越來越嚴酷，這就要求磁感測器必須具有很好的溫度穩定性，行業套用包括汽車電子行業。
3、抗干擾性。很多領域裡感測器的使用環境沒有任何評比，就要求感測器本身具有很好的抗干擾性。包括汽車電子、水錶等等。
4、小型化、集成化、智慧型。要想做到以上需求，這就需要晶片級的集成，模組級集成，產品級集成。5、高頻特性。隨著套用領域的推廣，要求感測器的工作頻率越來越高，套用領域包括水錶、汽車電子行業、信息記錄行業。
6、低功耗。很多領域要求感測器本身的功耗極低，得以延長感測器的使用壽命。套用在植入身體內磁性生物晶片，指南針等等。
