基础知识：几种电流测量方法对比

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基础知识：几种电流测量方法对比 [复制链接]

      现在比较常用的几个电流测量方法包括电阻式测量电流、电磁感应测量电流以及晶体管测量电流，每种方法都有其优点，根据应用的要求不同，可以采用合适的电流测量方法。

　　在这三种电流测量方法技术中，电阻式测量电流方法和晶体管电流测量技术是直流测量技术，电磁感应测量电流技术典型应用包括电流互感器、霍尔传感器、罗氏线圈，属于间接测量电流技术。

一 电阻式电流测量技术

　　用电阻测量电流是一种直接方法，典型的应用是分流器。电阻测量电流技术优点是简单，线性度好。检流电阻与被测电流放在一个电路里，流经电阻的电流会使一小部分电能转化为热。这个能量转换过程产生了电压信号。用电阻测量电流除了简单易用和线性度好的特点，检流电阻的性价比也很好，温度系数(TCR)稳定，可以达到100 ppm/℃以下或0.01%/℃，不会受潜在的雪崩倍增或热失控的影响。还有，低阻(小于1mΩ)的金属合金检流电阻的抗浪涌能力非常好，在出现短路和过流情况时，能实现可靠的保护。

二 电磁感应电流测量技术

　　电磁感应测量电流技术的典型应用包括电流互感器、霍尔传感器、罗氏线圈。

01 电流互感器

　　电磁感应测量电流技术典型应用是电流互感器。电流互感器有三个突出优点：与线电压隔离，无损测量电流，大信号电压能很好地抵御噪声。这种间接测量电流的方法要求用到变化的电流，例如交流电，瞬变电流或开关式直流电，来产生一个磁耦合到次级绕组里的变化磁场。次级测量电压可以根据在初级和次级绕组间的匝数比实现缩放。这种测量方法被认为“无损的”，因为电路电流通过铜绕组时的电阻损耗非常小。但是，由于负载电阻、芯损，以及初级和次级直流电阻的存在，互感器的损耗会导致失去一小部分能量。

电流互感器原理图

02 罗氏线圈电流测量技术

　　罗氏线圈类似于电流互感器，会在次级线圈内会感应产生一个电压，电压大小与流经隔离电感器的电流程正比。特殊之处在于，罗氏线圈采用的是气芯设计，这一点与依赖层压钢等高磁导率铁芯和次级绕组磁耦合的电流互感器完全不同。气芯设计的电感较小，有更快的信号响应和非常线性的信号电压。由于采用了这种设计，罗氏线圈经常被用在像手持电表这样的已有接线上，临时性地测量电流，可以认为是电流互感器的低成本替代方案。

罗氏线圈探头基本结构原理示意图

      罗氏线圈是一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。其设计基本原理如上图所示：

　　罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，强度为H，由安培环路定律得：

　　∮H·dl=I(t)

　　由B=μH，e(t)=dΦ/dt，Ф=N∫B·dS，e(t)=M·di/dt，得：

　　其截面为矩形时，互感系数M和自感系数L分别为：

　　M=μ0Nhln(b/a)/2π

　　L=μ0N^2hln(b/a)/2π

　　上式中，H为线圈内部的磁场强度，B为线圈内部的磁感应强度，μ为真空磁导率，N为线圈匝数，e(t)为线圈两端的感应电压a、b分别为线圈横截面的内外径，h为截面高度。由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di/dt成正比。

03 霍尔效应电流测量技术

　　利用霍尔效应测量电流的典型应用是霍尔传感器。霍尔传感器当一个带电流的导体被放进磁场里时，在垂直于磁场和电流流动方向上会产生电位差。这个电位与电流大小成正比。在没有磁场和电流流过时，就没有电位差。但如图所示，当有磁场和电流流过时，电荷与磁场相互作用，引起电流分布发生变化，这样就产生了霍尔电压。

　　霍尔效应元件的优点是能测量大电流，而且功率耗散小。然而，这种方法也有不少缺点，限制其使用，例如要对非线性的温度漂移进行补偿、带宽有限、对小量程的电流进行测量时，要求使用大偏置电压，这会引起误差、易受外部磁场的影响、对ESD敏感、成本高等。

　　晶体管电流测量技术这里不做详细介绍，总的来说探测电路中电流的方法有很多种，每种方法均有其优点和不足，在实际应用中要根据应用特定的需求来选择合适的方法。