高頻電流測(cè)量方法及設(shè)備介紹

一、概述

       電流：是基本物理量之一，也是工程應(yīng)用中測(cè)量較多的物理量之一。電磁學(xué)上把單位時(shí)間里通過(guò)導(dǎo)體任一橫截面的電量叫做電流強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱電流，電流符號(hào)為I，單位是安培（A）。

二、測(cè)量方法

       高頻電流測(cè)量方法有很多種，每種方法適用不同的場(chǎng)合，本文介紹幾種目前比較常見(jiàn)的電流測(cè)量設(shè)備，比較各自的特點(diǎn)和適用的場(chǎng)景。

（1）羅氏線圈

       柔性羅氏線圈(Rogowski Coil)又稱為羅柯夫斯基線圈（柔性電流探頭），是一種空心線圈。一般由線圈和信號(hào)處理電路兩部分組成。由若干匝導(dǎo)線均勻?qū)ΨQ地繞制在一定形狀和尺寸的非鐵磁材料上制成，一次側(cè)導(dǎo)體垂直穿過(guò)骨架中心，當(dāng)導(dǎo)體中流過(guò)變化的電流，導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，由電磁感應(yīng)原理可知線圈輸出端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

① 能測(cè)量從0.1Hz~幾十MHz的交流電流信號(hào)，電流范圍廣，從幾毫安(mA)到百萬(wàn)安培(1200KA)。

② 傳感器部分是空心線圈，可以做到柔性且纖細(xì)。

③ 只能測(cè)量交流/單次脈沖，無(wú)法測(cè)量直流。

④ 測(cè)量靈敏度受空心線圈橫截面以及長(zhǎng)度的影響，因此容易受到導(dǎo)體位置的影響或外來(lái)干擾的影響，測(cè)量精度不高。

       剛性羅氏線圈分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種，相比柔性羅氏線圈擁有更高的測(cè)試精度，且無(wú)需電池供電或外部供電，主要用于雷電波形、浪涌電流的檢測(cè)。

① 能測(cè)量從幾Hz~幾百M(fèi)Hz的脈沖電流信號(hào)，電流范圍廣，從幾毫安(mA)到百萬(wàn)安培(1200KA)。

② 剛性羅氏線圈的孔徑一般為100毫米以內(nèi)，沒(méi)辦法像柔性羅氏線圈一樣定制更大的孔徑，且無(wú)法測(cè)量元器件等間隙較小的設(shè)備電流。

③ 只能測(cè)量交流/單次脈沖，無(wú)法測(cè)量直流。

（2）交直流電流鉗

       電流鉗的工作原理是霍爾效應(yīng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線穿過(guò)霍爾元件，有電流通過(guò)時(shí)，半導(dǎo)體的載流子在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)磁場(chǎng)的洛倫茲力與電場(chǎng)力相平衡時(shí)，電子不再偏轉(zhuǎn)，半導(dǎo)體的兩側(cè)會(huì)有一個(gè)電勢(shì)差，即霍爾電動(dòng)勢(shì)。霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小，反應(yīng)了被測(cè)電流的大小。霍爾電流傳感器是目前使用較多的非接觸式電流傳感器。

① 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

② 直流和交流電流都可以測(cè)量。

③ 霍爾器件的本質(zhì)是半導(dǎo)體材料，溫度對(duì)其影響很大，會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的電子濃度、電阻率以及霍爾系數(shù)發(fā)生變化，從而使得精度受到很大影響，需要通過(guò)溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行改善。

④ 如果是持續(xù)高頻信號(hào)，應(yīng)該用羅氏線圈或者交流鉗進(jìn)行測(cè)試，否則霍爾元件會(huì)發(fā)熱燒壞。

（3）電流互感器

       磁通門互感器是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)的。這種物理現(xiàn)象對(duì)被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)好像是一道“門"，通過(guò)這道“門"，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用這種現(xiàn)象來(lái)測(cè)量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而間接達(dá)到測(cè)量電流的目的。目前磁通門技術(shù)是高性能電流傳感器較好的解決方案。

① 工作磁通量電平小，因此插入阻抗低。

② 磁通門元件上在廣泛溫度范圍內(nèi)偏移都非常之小，實(shí)現(xiàn)了高精度和高穩(wěn)定。

③ 良好的線性特性，測(cè)量小電流也能維持高精度

（4）同軸分流器

       分流器又稱為分流電阻，采樣電阻，英文名為：Shunt或CVR。分流器是基于基本的歐姆定律，它作為一個(gè)非常小的已知阻抗，串聯(lián)到被測(cè)電路中，測(cè)量電流流過(guò)分流器兩段產(chǎn)生的壓降，根據(jù)I=U/R，計(jì)算出該電路中的電流。分流器屬于接觸式測(cè)量方法，一般用于電壓不高、電流相對(duì)較小、頻率較高的情況。

① 分流測(cè)量簡(jiǎn)單，直流測(cè)量精度可以達(dá)到比較高的程度。

② 分流器輸入與輸出之間沒(méi)有電隔離。

③ 分流器如果電流太大，在電阻上就會(huì)產(chǎn)生很高的熱量，需要測(cè)量電阻具有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。

④ 分流器檢測(cè)高頻或大電流時(shí)，不可避免地帶有電感性，因此分流器的接入會(huì)影響被測(cè)電流波形。