电流传感器综述外文翻译资料

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电流传感器综述

摘要

本文简要概述了传统的测量电流的方法，并且更为详细地介绍了某些新型电流传感器，包括基于场集中器的霍尔传感器、AMR电流传感器、磁光效应电流传感器以及超导电流传感器。由于电流互感器铁芯励磁特性曲线的非线性，选用高导磁率的纳米晶体材料对于CT的应用将非常有利。内置CMOS电流传感器能够有效监测集成电路运行工况。由于电流钳可以在不破坏导体的情况下安装使用，所以它具有极特殊的工业价值。同时，在考虑电流传感器的参数时，也应将几何选择性纳入考虑范围。CT的这个特有参数代表着抑制外部电流（包括返回导体中的电流）对传感器的影响的能力，以及抑制测量导体相对电流的位置所造成的影响的能力。

关键词：霍尔电流传感器，电流互感器，AMR电流传感器，分流器，
电流表，罗氏线圈，电流比较器，CMOS电流传感器，磁光电流
传感器，SQUID电流传感器，GMI，电流钳

1.前言

高精度DC、AC电流互感器目前应用于汽车工业、测量功率能量的化学工业，当然还有其他许多应用。本文主要通过研究具有特殊参考价值的装置来阐述电流互感器的发展现状。本文将主要关注影响精度、几何选择性以及对某些新型应用有重要影响的因素。这些新型应用包括电力逆变电源、智能建筑和大型科技或物理实验，譬如在CERN的ATLAS实验中电子束的测量。

Iwansson等人在1999年就已经对经典电流传感器进行过综述。Ripka和Edelstein也分别与2001年和2007年指出大多数非接触式电流传感器都是电磁式传感器。

Ziegler等人于2009年所做的关于CT的综述很好地概述了市场上可用工业设备的原理和特性。

2.电流测量方法概述

2.1定义和标准

电流是由电荷的运动引起的，因此，在较早的MKS单位制自然而然地把它认为是一个导出单位。现在的SI国际单位制中，安培是基本的单位。早期（1908年）对安培的定义是由电解质产生的，这个在1948年便被力的概念所代替。使用力的概念，就可以通过电流平衡原理来理解安培这个单位。其实，最精确的定义方法是质量计量的瓦特平衡原理，它可以帮助理解“电子千克”的概念。电子千克是指美国NIST规定的3.6 times; 10^minus;8的相对不确定度。对于安培这一单位更实际的认知是根据由约瑟夫效应建立起来的电压标准和由量子霍尔效应建立起来的电阻标准通过欧姆定律来理解。

现如今，对安培的新定义已回归到基于元电荷和时间的自然概念。

国家计量研究院规定：直流电流传感器校验的最小扩展不确定度通常为10uA A^-1，而交流电流传感器的为100uA A^-1。交流电流比通常用比误差为5 ppm和相位移位为5mu;rad的最小扩展不确定度来校准。

图1 电流误差源

2.2电流分流

电流分流的缺点很明显：为了引入电流传感器，必须中断被测电流。大电流的分流通常很大，分流输出与被测电流息息相关。然而，在很多应用中，使用电流敏感电阻的系统鲁棒性更好一些。自制同轴分流器可以很容易地由一组并联的金属电阻器得到。

如果精度不是一个很关键的考虑因素，可以通过铜线的压降得到测量电流。通常使用微控制器校正铜线阻值以及借助温度传感器进行温漂补偿。同时，也应校正母线与温度传感器之间的热电阻。作者已经指出这种传感器的动态特性不是由母线自感引起的，而是因为主回路与感应回路之间的互感。

要想测量非常小的电流，电流敏感电阻的灵敏度也应提高，从而测得压降。那么，问题也就随之而来。系统误差通常由分配器造成，分配器包括源电阻和感应电阻。高灵敏度电阻的时间和温度稳定性较差，它们噪声较大，并且连同电压放大器的输入电容构成一个较大的时间常数，从而延缓测量。

在上面的模型中，我们其实是不希望噪声电流I_CE,I_SE和I_IE出现在电路中的。这些电流可能产生于静电、压电、电化学效应，或者是由电阻泄露、介电吸收引起的。为测量微安培的小电流，需设置一个电流电压转换器。

图2 低电流现象产生的电流的典型幅值

图3 电流电压转换器

2.3电流电压转换器

这个电路也被称作反馈式电流表。

电流表的量程由输出分频器Ra、Rb的阻值决定，而非反馈电阻Rf。假设R_fgt;gt;Ra，R_b,可以得到输出电压

图4所示电路能够有效补偿寄生电容C_f造成的速度延迟。如果时间常数R₁C₁=R_FC_F ,阴影区域的电路就相当于断路。这种情况下时间常数的计算相当简单，因为涉及到的内容都是常数，并且不受输入电容的影响。

图4 电流 - 电压转换器中反馈电阻R_F对寄生电容C_F的补偿

简单的放大系数为1 V nA^-1 的电流电压转换器可以用现成的运算放大器构成。基于OPA129的转换器约有100fA的偏置电流。其他基于AD549L的皮安表大约存在40 fA的偏置电流和在0.1赫兹到10赫兹的带宽内0.36fA p-p的噪音。噪声大小为频率的倒数（1/f），所以，1Hz时 0.1 fA Hz^-1/2 大小的噪音在0.1Hz时就成了 10 fA Hz^-1/2。相比于超导电流放大器4 fA Hz^-1/2 的噪声，这些都有非凡的价值。

有时通过使用库仑仪测量小电流会更容易一些。在这种情况下，反馈电阻要由一个理论上无噪音的集成电容代替。当电流分辨率要求在1fA以下时，由于R_f阻值gt;10¹²不切实际，充电方法更好一些。

现如今，可用安培表能够达到的电流分辨率为10fA。较小的电流仍可以使用传统仪器进行测量，但是为平均仪器噪音，测量往往会慢一些。超导电流传感器可能更快一些，但是电流测量基本的速度限制在于1aA对应6电子每秒的事实。

3.电流传感器参数

传感器的基本参数包括线性度、偏移量（针对直流传感器而言）、灵敏度，也包括重复性、迟滞性和温漂。对传感器而言，带宽是指传感器的刷新率，属于频率范畴，是一个非常重要的概念。含铁磁材料的电流传感器同样会受到磁滞和由磁场冲击产生的过电流的影响。对非接触式传感器而言，我们把它对测量导体的实际位置的不灵敏度以及对外部电流和磁场的不灵敏度这个参数称为“几何选择性”，它对大多数应用都是非常重要的。

实现几何选择性的最常见的方法是使用具有内部测量导体的闭合磁路。这通常用于电流互感器，磁通门电流传感器和大多数霍尔电流传感器。高渗透性磁路（磁轭通常为环形）将所有场线从测量的电流集中，使得磁路中测量的通量不依赖于导体的实际位置。在这种情况下，轭中心线l中的H恒定，可以得到

Hl = NI

其中I是测量的电流，N是匝数。

因为磁路还需屏蔽外部磁场，所以要使用横截面积大的磁性材料以保持对抗外部场的高退磁系数。

磁轭不应饱和，即1gt; NI / H sat。这意味着对于测量大电流而言，磁路变得非常大。可以考虑引入空气间隙，但是这就会降低了几何选择性。另一种方法是使用多匝线圈来补偿测量电流。然而，产生补偿电流需消耗功率。

如果功率或空间限制不允许使用磁轭，则可以使用磁梯度技术。简单的集成电流传感器使用折叠导体和梯度场传感器。这抑制了来自远处源的响应，给出低梯度。对于大电流，电流条应保持直线，并且通常使用四至八个传感器的圆形阵列（Di Rienzo 2001）。平均传感器输出增加了它们之间的导体的灵敏度，并降低了对外部导体的灵敏度。代替传感器输出的简单平均，已经开发了更复杂的信号处理方法以更有效地抑制附近假电流的影响（Bazzocchi和Di Rienzo 2000）。

用于电流传感器的最佳磁路是由没有气隙的高磁导率材料制成的环形线圈。 这用于电流互感器和一些残流传感器。然而，即使环形线圈也不能被认为是理想的、均匀的，因为它通常由带状材料缠绕，并且带材的开始和结束会引起显着的不对称。另一个问题可能源自层之间的空气间隙的存在。它们可能使焊剂集中到第一层，从而造成饱和。这些误差不仅存在诸如电流比较器等精确传感器中，而且它们还可能导致普通电流断路器的异常跳闸（Colin等人2006）。

宽带宽：应用开关电源转换器时需要的从直流到几MHz的大频率范围。

动态范围和过载电阻是另一个重要参数。即使对于满量程的一小部分，也经常要求一定的精度，譬如在待机模式和完全操作期间测量房屋的电流消耗时的要求。

对dV / dt的抗扰度对于传感器在现代电源模块中的使用至关重要。靠近快速开关晶体管的电流传感器可能经受10 kVmu;s^-1的瞬变，这种瞬态可以通过寄生电容耦合到电流传感器的输出。适当的静电屏蔽可以有效地抑制这种效应，但是它使传感器的设计复杂化。

低成本和高环境抗性对于工业传感器是必不可少的。

4.应用和需求

许多应用中都需要用到电流传感器，包括以下几个方面：

bull;电流泄漏监控
bull;工业应用 - 大交流和直流电流
bull;汽车应用：混合动力汽车的特殊要求
bull;房屋自动化
bull;能源生产，转换和储存
bull;电机驱动器，电源转换器和电源模块
bull;嵌入集成电路中的电流传感器。

我们只简要介绍与最后两个应用有关的具体问题。

4.1电源转换器和电源模块

电流传感器对于控制电源转换器至关重要。它们通常用于电流编程和过流保护。输入和输出电压通常用于控制。在电流绝缘转换器的情况下,光耦合器通常用于绝缘这些电压中的一个。光耦合器的有限线性在具有宽输出变化的转换器中可能是个问题，例如,dc / ac转换器。Qiu等人（2003）已经表明，可以仅使用电流信息来控制整个转换器，从而不需要电压传感器。这种方法可以简化电流绝缘的功率转换器的设计。

Bai等人（2003）建议在集成功率模块中使用磁光电流传感器。最有希望的候选物是在两个光纤之间使用稀土铁石榴石感测材料的传感器。虽然这个概念被证明是有效的，但它目前没有成本效益。

4.2内置电流测试和嵌入式传感器

内置CMOS电流传感器（BICS）设计用于监视集成电路的电流消耗（IDD），因为它是用于检测由常规逻辑测试造成的缺陷的简单方法（Cimino等人2007）。

在集成电路（IC）互连层中，传感器使用寄生10Omega;电阻器;通过比例电路减小了工艺参数变化的影响。该电路能够以0.5％的精度测量20 mA电流。虽然使用电流镜测量的电流降低了10倍，但传感器消耗2 mW的功率，这在某些应用中是不能接受的。一个可行的解决方案是采用在大多数操作时间内绕过电流 - 电压转换晶体管的开关结构，并且仅在需要时进行测试。这种方案允许以mu;W量级的功率消耗构建电流感测结构，并且不会引起测量电路速度的显著降低（Kim和Hong 2006）。另一种方法是使用动态开关：断开电源电压和被测电路（CUT）之间的开关，观察衰减电压。测量电压降至参考电平所需的时间由计数器来进行测量，使用该技术可以实现具有1mu;A分辨率的非常快速的测量（Vazquez和Pineda de Gyvez 2004）。

VLSI器件的辐射灵敏度已经成为很重要的问题，因为这些电路不仅对宇宙射线敏感，而且对存在于低海拔的大气中子和质子以及对自然alpha;粒子也很敏感。 Bulk BICS可以检测由在IC的敏感电路节点处的高能放射性粒子的撞击产生的瞬态电流（Wirth 2008）。Donoval（2008）建议使用MAGFET晶体管进行嵌入式电流监测，但这项研究刚刚开始。

电流传感器结构可以嵌入到横向绝缘栅双极晶体管（IGBT）结构中。在比较宽的温度范围内可实现5％的精度，这足以用于过载和短路保护（Liang等人2003）。

5非接触式传感器原理

使用分流电阻测量电流在某些情况下是不实际的或不可能的。非接触式电流传感器在被测电流和它们的输出电压之间保持电流绝缘。广泛的交流和直流非接触式电流传感器由LEM，F W Bell，VAC，霍尼韦尔，Telcon和许多其他制造商生产。磁场传感器可用于测量在高电势、地下电缆和建筑结构中的远程导体中的电流。

5.1 仪表电流互感器

电流互感器（CT或ICT）通常具有由高磁导率材料制成的体环形磁芯。对于大于50A的电流，主绕组通常是磁芯开口的单个导体。 理想情况下次级绕组应短路;然而在大多数应用中,它连接到一个小的“负载”电阻或阻抗。磁芯用高磁导带（用于低频器件）或铁氧体（用于高频电流探头）缠绕。在一些装置中，次级电流由有源电流 - 电压转换器以负荷几乎为零的方式进行测量。稍后我们将说明这种方式会导致更小的误差，因为变压器磁芯一般工作在较低的磁通密度。

电流互感器也可以用可开启的芯制成，常用作示波器或万用表的交流电流钳。

电流互感器是非常受欢迎的设备：

- 它们非常简单，鲁棒性好，
- 它们不需要外部电源，
- 它们具有高电流绝缘，
- 他们很便宜，
- 它们寿命长，参数不变。

CT应定期校准，通常使用标准CT和电流比较器（第5.3.1节）来进行校准。在市场上可使用全自动变压器测量装置（例如Tettex 2767）。

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