振動(dòng)噪聲抑制和電磁兼容控制都可以按照“源-路徑-設(shè)備”的思路開(kāi)展。從降低激勵(lì)源或干擾源幅值、增加傳遞或耦合路徑的阻尼、保護(hù)敏感設(shè)備三個(gè)方面下手，按照從易到難的原則，攻破各個(gè)山頭。對(duì)激勵(lì)源或干擾源進(jìn)行頻譜、功率譜等特征分析，需要采集源頭信號(hào)。諸如電壓、電流等信號(hào)相對(duì)幅值較大，相對(duì)比較容易采集; ，需要高精設(shè)備采集處理。在這樣的思路下，接下來(lái)PRBTEK針對(duì)大家經(jīng)常疑惑的“交直流電流采集區(qū)別”問(wèn)題給大家分享：

在進(jìn)行NVH激勵(lì)源或電磁兼容干擾源分析時(shí)，我們經(jīng)常使用“羅哥”羅氏線圈測(cè)量相交流電流信號(hào)，這源于羅氏線圈的顯著優(yōu)點(diǎn)：可直接套在被測(cè)導(dǎo)體上測(cè)量交流電流，對(duì)被測(cè)導(dǎo)體、尺寸無(wú)特殊要求;無(wú)需拆裝原有電路結(jié)構(gòu);可進(jìn)行較寬頻率范圍內(nèi)的交流電流測(cè)量，具有較快的瞬間反應(yīng)能力。查看產(chǎn)品用戶(hù)手冊(cè)和工程實(shí)際發(fā)現(xiàn)，可發(fā)現(xiàn)羅氏線圈并不能測(cè)量直流電流信號(hào);其實(shí)不僅僅是直流信號(hào)，低頻交流信號(hào)(<2Hz)羅氏線圈也因存在較大的衰減和相位延遲也無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。

有果必有因，“羅哥”羅氏線圈一套也不便宜，為什么這個(gè)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)呢?這篇文章就讓我們扒一扒“羅哥”羅氏線圈的那些事。

電流傳感器有多種分類(lèi)方法：從電流類(lèi)型上有直流與交流，大電流與微小電流，非脈沖電流和脈沖電流等;從反饋形式上有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)傳感器。林林總總，萬(wàn)變不離其宗，本文先講解電流測(cè)量最基礎(chǔ)的法拉第電磁感應(yīng)定律和霍爾效應(yīng)，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可以生產(chǎn)交流鉗形表，依據(jù)霍爾效應(yīng)可以生產(chǎn)交直流鉗形表;然后通過(guò)對(duì)比不同種類(lèi)的鉗形表，掌握理解不同電流測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出“羅哥”不能測(cè)量直流電流的原因，對(duì)電流測(cè)量方法有個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

1. 法拉第電磁感應(yīng)定律

法拉第電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)基于法拉第于1831年所作的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只要穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第偉大之處在于將電和磁聯(lián)系在一起，揭示了它們之間的關(guān)系，把我們帶入“電生磁、磁生電”的電磁世界。

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象里，既然閉合電路里有感應(yīng)電流，那么這個(gè)電路中也必定有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又分為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)兩種：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)閷?dǎo)體自身在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)氣隙磁場(chǎng)切割定子繞組，所以繞組兩端存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);感生電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)榇┻^(guò)閉合線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，變壓器就是利用感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的能量傳輸。

交流電流測(cè)量原理可以類(lèi)比變壓器，也是利用的感生電動(dòng)勢(shì)。理想情況下，忽略繞組電阻、繞組電容、漏磁通和鐵芯非線性等因素的影響，高低壓兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)和和電流滿足下圖關(guān)系：

2. 霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是由美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年研究金屬導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)方向上的作用力(即洛倫茲力);在該力作用下載流子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱(chēng)為霍爾電勢(shì)差。

上圖中，帶電電子在磁場(chǎng)作用下在器件的兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)了穩(wěn)定的電荷堆積從而形成橫向電場(chǎng)，最終效果是洛倫茲力和電場(chǎng)力相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，其中兩側(cè)電壓差(電場(chǎng)強(qiáng)度)和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系。

3. 交流鉗形表

法拉第電磁感應(yīng)定律利用“變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)、變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)”原理，兩側(cè)電壓和電流呈固定的比例關(guān)系。由于直流電流無(wú)法產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，因而無(wú)法在二次側(cè)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì);因而，包括羅氏線圈在內(nèi)的采用電磁式電流互感器制作的鉗形表，只能測(cè)量交流電流，不能測(cè)量直流電流。

下面是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制造的鉗表，將線圈套在被測(cè)交流電流上，則在二次側(cè)可以獲得一個(gè)與導(dǎo)體電流成比例的電流，進(jìn)而通過(guò)調(diào)理、放大等處理，可直接顯示數(shù)據(jù)或送至示波器顯示處理。

4. 直流鉗形表

霍爾效應(yīng)實(shí)質(zhì)是指磁場(chǎng)會(huì)對(duì)帶電粒子產(chǎn)生作用力，由于不管直流還是交流只要有電流就會(huì)有磁場(chǎng)產(chǎn)生，因此利用該效應(yīng)即可同時(shí)測(cè)量交流和直流?；魻栯娏鱾鞲衅靼凑辗答佇问椒譃殚_(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種，兩者基本原理類(lèi)似，差別類(lèi)似于電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，下面分別對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。

A.開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器

開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器又可稱(chēng)為直放式霍爾電流傳感器或直檢式霍爾電流傳感器。開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的原理框圖如下所示：

開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器由磁芯、霍爾元件和調(diào)理顯示三部分構(gòu)成。

將霍爾元件放置于磁芯設(shè)計(jì)的開(kāi)口氣隙處，為便于顯示，上圖將該氣隙畫(huà)的很大。此時(shí)，若導(dǎo)線中流經(jīng)電流i,由于磁芯磁導(dǎo)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)，磁力線被“吸引”到磁芯中去，也就會(huì)集聚到氣隙處。

B.閉環(huán)式霍爾電流傳感器

閉環(huán)式霍爾電流傳感器也可稱(chēng)零磁通霍爾電流傳感器、零磁通互感器、磁平衡式霍爾電流傳感器等。閉環(huán)式霍爾電流傳感器的原理框圖如下所示：

如上圖，閉環(huán)式霍爾電流傳感器包括磁芯、霍爾元件、反饋線圈和調(diào)理顯示三部分構(gòu)成。通過(guò)與開(kāi)環(huán)式對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)閉環(huán)式多了反饋線圈繞組。調(diào)理顯示電路處理霍爾元件的輸出，然后生成補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與原邊電流在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)等大反向，通過(guò)負(fù)反饋維持氣隙處的磁場(chǎng)平衡。

理想情況下，氣隙處維持零磁通，保持磁平衡。上述平衡過(guò)程是在非常短的時(shí)間內(nèi)完成的，反應(yīng)時(shí)間決定著該傳感器能夠測(cè)量的最高頻率電流。

C.開(kāi)環(huán)和閉環(huán)式霍爾電流傳感器對(duì)比

通過(guò)上面的分析，我們可知閉環(huán)式霍爾電流傳感器氣隙處的磁場(chǎng)保持在零附近，變化幅度非常小，這兩個(gè)特點(diǎn)對(duì)電流的測(cè)量十分有利。

上文只是講解電流測(cè)試最基本原理，真正實(shí)施還有其它因素需要考慮。

首先，為與AD采樣芯片匹配，電流原始信號(hào)需要調(diào)理放大;其次，變頻輸出電流含有豐富的PWM諧波信號(hào)，需要設(shè)計(jì)低通濾波回路;再次，電磁本身是“看不見(jiàn)、摸不著”的東西，需要考慮漏磁通和電磁兼容特性。

上面任何一個(gè)方面存在短板，濾波參數(shù)是否匹配、漏磁通是否嚴(yán)格控制、抗干擾能力強(qiáng)不強(qiáng)等，都會(huì)影響產(chǎn)品的最終性能。小小的傳感器，也是國(guó)家工業(yè)4.0實(shí)力的縮影。

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審核編輯：湯梓紅