磁通门传感器测大电流.ppt

磁通门传感器测大电流Flux gatesensorforhigh currentmeasurement 杨真微纳科学技术研究院2010 4 18 4 29 1 电阻欧姆定律 Ohm slawofresistance 2 法拉第电磁感应 Faeaday slawofinduction 3 磁场传感器 Magneticfieldsensors 4 法拉第效应 Faradayeffect 电流传感技术的基本原理 接触式电流测量A 分流电阻传感 Shuntresistor 基于测量电流在分流电阻上产生的电压 该方法简单 适合精确测量直流和交流 缺陷是 功率和测量电路的隔离 以及在测大电流时功耗较大 1 高性能同轴分流 High performancecoaxialshunt 2 低耗表面粘着元件 Low costsurface mounted device B 追踪电阻传感 Traceresistancesensing PCBcoppershuntresistor 基于电阻欧姆定律的电流传感技术 A 罗氏线圈 Rogowskicoil 线圈缠绕在非磁磁芯上 通过罗氏线圈的电流产生了一个电压 该电压与电流变化率以及线圈与导体之间的互感系数成正比 所测电流正比于该电压的一个积分值 B 电流转换感 Currenttransformer 仅仅使用于交流电的测量 该方法简单 稳定性好 它含有一个环状铁心 次级线圈缠绕在铁心上 流经导体的电流的测量实际上就变成了测量初级线圈上电流 基于法拉第电磁感应定律的电流传感技术 A 霍尔效应传感器 Hall effectsensors 电流垂直于外磁场通过导体时 在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差 这一现象便是霍尔效应 该方法可以测量直流和交流 频率高达100kHz 较高的精度和很好的隔离 B 磁通门传感器 Fluxgatesensors 后面详述 C 磁阻效应传感 MR 1 Anisotropicmagnetoresistance AMR 2 Giantmagnetoresisitance GMR 基于磁场传感器的电流传感技术 以上部分常见电流传感检测方法的比较 光纤技术 fiber opticaltechniques 新兴的技术 较传统技术价格较高A 偏光检测方法 Polarmeterdetectionmethod 直接利用法拉第效应检测电流 B 干涉仪检测方法 Interferometerdetectionmethod 基于法拉第效应的电流传感技术 不同电流传感技术检测电流的性能比较 磁通门传感器测电流的原理 最基本磁通门原理 采用磁场强度H与磁感应强度B之间的非线性关系 磁通门传感器测电流的常见设计方法 常见设计方法的比较 a 标准磁通门 初始电流产生的磁场通过磁芯得到集中 在闭环结构中 次级线圈是用来补偿集中的磁场 优点 优越的灵敏度 温度稳定性 高精度 b 单一闭合环形磁芯结构 没有激励线圈 激磁线圈所产生的电流取决于初始电流的大小 特点 低消耗 热转换低 检测频率带宽有限 c 磁通门 电流转换器 提高了检测频率的带宽 磁通门负责提供低频信号 电流转换器负责高频信号 d 采用第三个磁芯 抵消第一个磁通门在初级导体感应产生的电压噪音 激励线圈的电压随匝比倍增 当磁芯材料没有饱和时 仅仅只作为转换器 磁通门传感器测电流 基于检测磁电路的饱和状态 磁芯用高磁导率材料制成 专注于被测的磁场 用一个信号激发磁性材料 外部磁场引起磁性材料对称饱和 这种对称随外磁场的消失而消失 附加线圈的电流引起了一个补偿磁场 该磁场恢复了磁滞循环的对称 所加电流补偿了被测电流所产生的磁场 它的电压值与这个电流成正比 在磁电路中 为了检测一个等于零磁通的磁场 必须通过必要的电流激励次级线圈 传感器在零磁通的环境下 电流通过次级线圈得到加强 证实与被测的初级电流成正比 Ip Ns Is铁磁磁芯和辅助线圈形成了一个饱和感应器 在零磁通的情况下 对于传感器磁路的检测就是基于该感应器电感值的变化 磁通门传感器设计框图 1 信号发生器是为了激励辅助线圈 基于有磁滞现象的比较电路 当循环电流在主要的线圈激励超过峰值时 电路将改变它的输出的电压值 在振荡电路检测这些磁性元件 并且这些元件的电特性将影响方波信号电路的振荡频率 对于传感器的设计 这些频率的范围在300赫兹左右 2 辅助电流的对称检测没有初级电流 激励电流的平均值为零 初级电流存在影响不为零的平均值的输出 并且信号依赖于这个电流的敏感性 对于次级电流值得自动调节 采用了PI控制器 目的是为了确保初级电流激励线圈有零平均值 控制器包括一个三角的低频振荡器 一个频率检测器和一个模拟开关 频率检测器是为了检测激励电流 模拟开关受频率检测器的控制 对上设计图详细分析 3 指示器的有效检测低频检测电流的输出与有效检测的指示器相连 在它检测的初级激励线圈是低频的时候 指示器才被激活 并且当系统在零磁通环境下工作时 影响将产生 一个LED和一个开关是输出元件 用来指示零磁通有效测量的环境 4 驱动形成补偿电流电路是用来产生流经次级线圈的补偿电流 一个D级放大器被用来执行放大 这个放大器与线性放大器相比 呈现了高频的优点 但是增加了相同转化频率的泛音并放大化了 因此必须基于一个压力带宽调幅器 该调幅器产生了一个方形的电压 该电压的循环与IP控制的输出信号成比例 调幅器的方形波输出应用于补偿线圈 用一个半桥驱动电流 5 高频电流的测量所测量的最大交流电的频率取决于零磁通检测系统的工作频率 对于高频交流电来说 为了获得一个稳定的动态特性 以免电流的快速变化 就必须采用第三个磁芯 该磁芯被补偿线圈绕制 作为一个电流转换器 6 电源供应器传感器的电压是通过一个回馈的直流转化器提供 通过这种方法 两个稳定的输出电压来源于一个10V到30V的输入电压 1 Ziegler S Woodward R C Iu H H C Borle L J CurrentSensingTechniques AReview SensorsJournal IEEE vol 9 no 4 pp 354 376 April2009 2 PavelRipka Electriccurrentsensors areview J MeasurementScienceandTechnology J 21 2010 112001 23pp 1 23 3 M Roman G Velasco A Conesa andF Jerez LowconsumptionfluxgatetransducerforACandDChigh currentmeasurement inProc 39thIEEEPowerElectron SpecialistsConf PESC 08 Rhodes GREECE 2008 PP 535 560 4 刘诗斌 段哲民 严家明 电流输出型磁通门传感器的灵敏度 仪表技术与传感器 2002 5 何俊彦 陶龙旭 张怀武 钟智勇 GMI电流传感器的研究进展 技术与应用 2011 12 6 Favre Eric etal CurrentSensinginElectricDrivesAFutureandHistoryBasedonMultipleInnovations Switzerland 2009 7 Kudo T Tsuji N Asada T Sugiyama S Wakui S DevelopmentofaSmallandWide RangeThree PhaseCurrentSensorUsinganMIElement Magnetics IEEETransactionson vol 42 no 10 pp 3362 3364 Oct 2006doi 10 1109 TMAG 2006 879641 参考文献 8 M J Caruso T Bratland C H Smith R Schneider ANewPerspectiveonMagneticFieldSensing SensorsExpoProceedings October1998 195 213 9 Ripka P Kubik J Duffy M Hurley W G O Reilly S CurrentsensorinPCBtechnology Sensors 2002 ProceedingsofIEEE vol 2 no pp 779 784vol 2 2002 10 P RipkaReviewoffluxgatesensorsSens ActuatorsA 33 1992 pp 129 141 11 P Ripka F Primdahl Tunedcurrent outputfluxgate Sens ActuatorsA82 2000 160 165 12 P Ripka W Billingsley Fluxgate tunedversusuntunedoutput IEEETrans