磁通門電流傳感器工作原理

　　磁通門傳感器的工作原理是基于鐵芯材料的非線性磁化特性，其敏感元件為高磁導(dǎo)率、易飽和材料制成的鐵芯，有兩個(gè)繞組圍繞該鐵芯：一個(gè)是激勵(lì)線圈，另一個(gè)是信號(hào)線圈。在交變激勵(lì)信號(hào)fl的磁化作用下，鐵芯的導(dǎo)磁特性發(fā)生周期性飽和與非飽和的變化，從而使圍繞在鐵芯上的感應(yīng)線圈感應(yīng)出反應(yīng)外界磁場(chǎng)的信號(hào)。

　　因?yàn)榇磐ㄩT傳感器是利用被測(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)，從而間接的達(dá)到測(cè)量電流的目的。

　　磁通門電流傳感器原理圖

　　二、磁通門電流傳感器的構(gòu)成

　下圖是磁通門電流傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　磁通門電流傳感器系統(tǒng)構(gòu)成框圖

　　電流傳感器的系統(tǒng)框圖所示。電流所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)在磁通門探頭內(nèi)經(jīng)激勵(lì)信號(hào)調(diào)制后，通過(guò)峰值檢波和積分濾波電路產(chǎn)生有用的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)反饋，使電流傳感器工作在零磁通狀態(tài)。

　　圖1：磁通門繞組結(jié)構(gòu)圖

　　下面本文以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且應(yīng)用較廣泛的一種單繞組磁通門進(jìn)行介紹。如圖1所示：環(huán)形磁芯上繞有線圈，此繞組即作為激勵(lì)繞組又作為測(cè)量繞組，所測(cè)電流從磁環(huán)中間穿過(guò)。

　　圖2：普通磁環(huán)B—H曲線

　　一般磁性材料都有S形狀曲線的特性，稱之為磁滯回路（hysteresis loop），如圖2所示。此磁滯回路曲線建立在B—H的坐標(biāo)軸上，為磁性材料遭受完全磁化與非磁化周期，圖示為典型磁滯曲線的鐵心，如果曲線由a點(diǎn)開(kāi)始，此點(diǎn)表示最大正磁化力，至b點(diǎn)磁化力為零，然后下降至c點(diǎn)為最大負(fù)磁化力，再至d點(diǎn)磁化力為零，最后返回最大正磁化力的a點(diǎn)，此即為整個(gè)磁性周期。高導(dǎo)磁率、低矯頑力磁芯的磁滯回線如圖3所示。

　　圖3：高u磁環(huán)的B—H曲線

　　當(dāng)我們?cè)诖怒h(huán)導(dǎo)線中加入電流分量后，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使原本對(duì)稱的B-H磁滯回線會(huì)改變中心線變成如圖4所示形狀。

　　圖4：加入直流的高u磁環(huán)B—H曲線

　　假設(shè)激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為：Hmcosωt，就能得到磁通門磁芯上的總磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

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　　式中：

　　H 0——為導(dǎo)線電流在環(huán)形磁芯上的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

　　H m——為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值；

　　ω——為激勵(lì)場(chǎng)角頻率。

　　則線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

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　　式中：

　　N——為繞組線圈匝數(shù)；

　　S——為環(huán)形磁芯的截面積；

　　uTd——為磁芯物質(zhì)的微分磁導(dǎo)率。

　　根據(jù)磁飽和特性，當(dāng)H0 =0時(shí)，H（t）= Hm cosωt，在磁飽和作用下磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

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　　式中：Ba為磁化曲線飽和段延長(zhǎng)線在B 軸上的截距，顯然，B（t）是對(duì)時(shí)間軸上下對(duì)稱的平頂波，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)分析，它只含奇次諧波不含偶次諧波。

　　當(dāng)外磁場(chǎng)H0≠0時(shí)，H（t）= H0+Hm cosωt，B（t）的表達(dá)式為：

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　　這時(shí)，B（t）成為上下不對(duì)稱的平頂波，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)分析可知，它不僅含有奇次諧波還含有偶次諧波。而由式2可知，E（t）和B（t）應(yīng)含有相似的波形成分，因此，可以根據(jù)E（t）在激勵(lì)周期內(nèi)的振幅的上下不對(duì)稱來(lái)檢測(cè)外電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)B0，從而達(dá)到測(cè)量電流的目的。

　　整個(gè)過(guò)程可以概括為：當(dāng)磁通門式電流傳感器工作時(shí)，激勵(lì)線圈中加載一固定頻率、固定波形的交變電流進(jìn)行激勵(lì)，使磁芯往復(fù)磁化達(dá)到飽和。在不存在外在電流所產(chǎn)生的被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，則檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只含有激勵(lì)波形的奇次諧波，波形正負(fù)上下對(duì)稱。當(dāng)存在直流外在被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，則磁芯中同時(shí)存在直流磁場(chǎng)

　　和激勵(lì)交變磁場(chǎng)，直流被測(cè)磁場(chǎng)在前半周期內(nèi)促使激勵(lì)場(chǎng)使磁芯提前達(dá)到飽和，而在另外半個(gè)周期內(nèi)使磁芯延遲飽和。因此，造成激勵(lì)周期內(nèi)正負(fù)半周不對(duì)稱，從而使輸出電壓曲線中出現(xiàn)振幅差。該振幅差與被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)成正比，因此可以利用振幅差來(lái)檢測(cè)磁環(huán)中所通過(guò)的電流。