电流传感器

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电流传感器范文第1篇

【关键词】巨磁阻抗效应；弱电流传感器；新型非晶磁芯；非接触式

中图分类号：C93文献标识码： A

弱电流传感器在很多领域中有比较普遍的运用，随着这些行业的不断进步，对传感器的准确度的要求也越来越高，比如在电机调速，绝缘在线检测等仪器中，对传感器的灵敏度，抗干扰能力，分辨力有了更高的要求。为了迎合需求，人们对某些新材料，常规能源又有了更多的探索。近年来，迎合市场的需求磁电方面的研究也逐渐火热起来，经过许多仁人志士的探索研究，在非晶，纳米晶材料等的基础上，人们发现了巨磁阻抗效应，这就为新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的研制奠定了基础。

1.巨磁阻抗效应原理的相关知识及其优点

外加磁场的改变可以显著影响软磁合金材料的交流阻抗的现象成为巨磁阻抗效应(giant magneto-impedance, GMI)。具体点说，巨磁阻抗效应就是高频电流引发的趋肤效应。这种现象是kmh等人在一次偶然的实验中发现的。经过多次的实验，发现巨磁阻抗效应在室温的条件下对弱磁场非常的灵敏，具有灵敏度高，线性高，无磁滞现象等优点。具备这样的优势，巨磁阻抗效应的应用有远大的前景，所以引起了各国的学者广泛关注，并积极做了诸多研究。

比如有学者做过比较，在室温的条件下做实验，得出巨磁阻抗效应对弱磁场的灵敏度比巨磁电阻对弱磁场的灵敏度多了一个数量级以及磁通门传感器效率更好的结论。除此之外，可得知，巨磁阻抗效应结构比较简单，工作效率好，温度稳定性也较高，有这很多传感器都无法超越的优越性。当下，由于很多新型复合材料都可见巨磁阻抗效应，所以对其的深入研究也正在进行中。

2.巨磁阻抗效应的基本特征和敏感原件制备

2.1巨磁阻抗效应的显著优势

和其他事物一样，巨磁阻抗效应也有物极必反的道理。在弱磁场的条件下，软磁材料在高频电流作用下，与阻抗磁场呈正相关关系，非线性误差比较小，弱磁场灵敏度较高。然而在高磁场的前提下，阻抗与磁场有着负相关的关系，也就是阻抗会随着磁场的增大而逐渐减小。除此之外，热处理感生磁各向异性场有利于加强此种效应。除此之外，与其他磁效应相比较，利用巨磁阻抗效应制成的传感器其装置简单，但是对速度和频率不敏感。而且这种效应广泛应用于制造磁记录磁头，磁盘检测器，和磁膜储存器的读出器等等，应用十分广泛。

2.2非晶磁芯的相关知识

非晶磁芯是非晶材料加工而来的磁性元件，根据材料的形状可以分为带材型磁芯和粉末性磁芯，笔者主要论述的是经过卷曲后的环形磁芯。非晶磁芯饱和磁密比较高，但是会随着频率升高，磁导率会急速下降，一般用于普通的频带。在实验室当中，经常使用非晶薄带制成敏感原件，具有低耗能，高精度，好灵敏度的特点。其中电流，温度都比较低，电阻率也较小。在具体制备过程当中，非晶薄带要等厚约5cm，沿着规定的方向截取长宽。然后再卷成环形的磁芯，再用脉冲电流退火，这样，敏感原件基本制备完毕。

3新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的结构和工作原理

3.1新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的电路结构

此种传感器有由多谐振荡器，微分电路，非晶磁芯，峰值检波，以及低通滤波差分放大等部分组成的。是由MOS问电路构成的多谐振荡器产生高频方波信号，进过微分电路后产生脉冲电流信号，刺激非晶磁芯。让待测的电流穿过磁芯轴线，这样，环形磁场形成，同时也改变了磁芯阻抗，进而改变峰值电压。在通过峰值检波装置检测峰值的大小，在通过低通滤波与基准电压比较得出差值，输出电压。

3.2脉冲电流电路

脉冲电流通过刺激非晶磁芯，使得阻抗变化率有所改变。某种意义上说也就是提高传感器的灵敏度。原因是非晶磁芯的特性决定的。只有在高频电流的刺激下，非晶磁芯才可以出现巨磁阻抗效应，随着磁场增加，阻抗也急剧增加。通过傅立叶变换可以知道，非晶磁芯的频谱是周期脉冲序列，同时含有丰富的谐波信号，所以脉冲电流可以提高传感器的灵敏度。在具体使用过程中，使用非门芯片产生高频方波，经过微分电路又得到脉冲电流，脉冲电流中的负脉冲又通过飞门去除，仅剩下正向脉冲电流。为了使脉冲电流正常工作，应保证线路不同部位中的电阻的大小合理。比如反向器输入端的补偿电阻远远大于微分电路中的电阻，这样不仅仅可以避免振荡频率不稳定的缺点，还可以提高振荡频率的稳定性。

3.3新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器的信号处理电路

传感器信号处理电路大概有五个部分组成，磁芯两端的脉冲电流差值较大，容易使得二极管的阈值电压和临界导通的非线性关系放大，为了避免这种现象，在线路中又设置了峰值检波电路。阈值电压变得很小时可以忽略不计，这时，可以采取滤波措施，减少不需要的散在信号，使得传感器的信噪比增加。检波电路测到的是磁芯两端的峰值电压，有一定的误差，也就是说同一时间段内，两者的初始值不一样，针对这个问题，才装置了差动放大电路，使得可以准确读出差值。在实际电路中，存在这样一片区域，就是磁芯阻抗值越来越慢，这个区域不利于电路的运行，所以为了绕过这片区域，我们就在磁芯附近增加了偏置磁场。如此一来，弱直流电流传感器就有了双重功效，既可以确定电流的去向，还可以被检测电流的大小，真是一举双得。

3.4工作电压对新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流的影响

新型非晶磁芯对工作的电压有一定的要求。要在规定的范围内，否则容易出现效率低下的现象，又或者直接造成不能运转的后果。新型非晶磁芯的芯片在此合理范围内工作效率较高，多谐振荡装置几乎都可以保证输出方波的稳定性。但在实际工作中，电压的大小很大程度上决定了方波的幅值，从而也直接影响到脉冲电流峰值的大小。这种现象也刚好印证了在一定条件下，输出的电压值的波动与脉冲电流峰值的大小有线性关系的原理。也由此可知，在相同阻抗变化率的条件下，输出电压的大小可以影响传感器的测量灵敏度，线性度，分辨力。所以保证工作电压在合理范围内是至关重要的。由上文可知，弱电流传感器的灵敏度与工作电压有线性关系，所以有稳定的直流工作电源，是提高电流传感器的精确度和灵敏度的重要基础。

4.结论

笔者提出了一种由非晶薄带为敏感原件的新型巨磁阻抗效应弱电流传感器。提出了传感器的电路设想。这种传感器有无可比拟的优越性，比如:线性强，灵敏度高，设备简单，成本减少等等特点，在相关领域中有较大的应用价值。近年来，不少国外的文章也曾论述过此类研究，但是与之相比，有一定的差距，但是随着多次的实验，磨合，总结，此次所设计的信号处理电路在各方面都有了显著的提高，比如在精确度和测量范围上等等。巨磁阻抗效应自身就具有温度稳定性好，灵敏度高的优势，所以在弱电流检测中应用前景广泛。但是外磁场对其有干扰作用，所以在制作过程中使用了外部磁场的屏蔽壳，提高了其工作效率。

【参考文献】

[1]鲍丙豪,赵湛,董钢,蒋峰. 新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器[J]. 电子器件,2006,04:1035-1038.

电流传感器范文第2篇

关键词：电流传感器；氧化还原反应；电子转移；数字化实验

文章编号：1008-0546（2017）05-0092-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.030

氧化还原反应是化学学科的核心概念之一，作为中学化学的重点知识贯穿整个中学阶段的化学学习。在初中阶段，学生从得失氧角度来认识氧化还原反应；进入高中，需要学生从电子转移角度重新建立对氧化还原反应概念的认识。如何帮助学生实现对氧化还原反应由表象到本质的认知是教师在具体教学中所遇到的难点。

一、实验设计思路

氧化还原反应的发生伴随着电子的转移，电子的定向移动可以产生电流，所以如果反应中Zn失电子，HCl得电子，那么电子的流向为ZnHCl，那么电流方向即为HClZn，将Zn作为正极反应物，HCl作为负极反应物，将两极用导线相连，用电流表可指示回路中有无电流，从而判断反应中是否发生电子转移。

有些学者利用电流计检测氧化还原反应体系中是否有电流产生[1，2]，本实验利用电流传感器替代电流计接入电路中，给实验带来以下优势：

（1）由于产生电流值未知，当电流很大时，指针的较大偏转会给电流计带来一定损害；当电流很小时，电流表偏转不明显，而电流传感器可精确到0.0001A；

（2）相对于指针的偏转，电流传感器可以定量、准确、持续地采集实验过程中电流值的变化，并呈现电流-时间曲线图；

（3）盐酸溶液中本来就存在自由移动的离子，如何证明电流不是其本身的离子移动产生的呢？利用电流传感器可作对比实验，从电流值的大小比较上即可判定出电流的产生是来自于哪一部分。

二、实验内容

1. 锌与盐酸反应

取1mol/L稀盐酸40mL于塑料槽中，将电流传感器与数据采集器、电脑相连接，记录电流传感器在空气中的初读数为0.0001A。

按照图1直接将两根导线插入盐酸溶液中（作空白实验），设置电极间距离为3cm，采集时间为60s，开始数据采集后，发现电流数据在0.0001A～0.0003A范围波动（图2），电流数值基本不变。

按照图3将Zn片连接导线后，插入1mol/L稀盐酸溶液中，点击开始采集数据，设置电极间距离为3cm，发现电流数据升至0.04A（图4），表明Zn与HCl反应过程中有大量电子发生了转移。

2. 氢氧化钠与盐酸反应

NaOH与HCl的反应为非氧化还原反应，反应中无电子转移。从假设-验证的逻辑推理进行分析，如果证明出NaOH与HCl反应中没有电子转移，才能够证明：只有氧化还原反应才有电子转移。该实验对装置要求较高，可作为教师实验和学生自主探究实验。

按照图1，做NaOH溶液的空白实验，设置电极间距离为3cm，采集时间为60s，待数据稳定后开始数据采集，得实验数据（图5）；

按照图6，将NaOH溶液置于滴定管中，用导线将NaOH溶液、电流传感器、HCl溶液依次相连，设置两电极间距离为3cm，采集时间为150s；打开滴定管旋钮，将其中盛放的1mol/LNaOH溶液缓缓加入1mol/L HCl溶液中，待两溶液接触，形成回路后开始数据采集；待NaOH溶液的液面低于导线底端时（形成断路前），停止数据采集，保存实验数据（图7）。

图5、图7中的实验数据发现，测得NaOH溶液、NaOH与HCl反应体系中的电流值在0.0002A左右，表明两溶液的混合过程中未有电子的转移。

三、研究结论与反思

本实验选择了Zn与HCl反应、NaOH与HCl反应，分别为氧化还原反应、非氧化还原反应，利用电流传感器测定出两个反应体系中电流的数值，发现氧化还原反应中电流数值明显大，并且也大于NaOH溶液、HCl溶液的体系，表明氧化还原反应中存在电子转移。

该实验方法建立在学生已有的电子、电流、电路知识基础上，在教师的引导下，学生能够根据化学反应设计出该实验，这其实也就是一个原电池的模型，但此时不向学生引入电极、正负极等概念，直接就是用导线将两物质体系相连构成回路，用电流传感器定量测定回路中的电流值，从而准确判断反应过程有无电子转移。本实验采用了简单的思路、简单的反应、简单的装置，有利于学生认识氧化还原反应的本质，并见证了区分氧化还原反应与非氧化还原反应的实验事实。

参考文献

电流传感器范文第3篇

我们知道:(1)其中为霍尔电场,是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样载流子浓度为,则(2)由(1)、(2)两式可得:霍尔电压(3)其中比例系数称为霍尔系数,它反映了霍尔效应强弱,只要测出以及知道和可用下列计算:霍尔系数为:(4)及(9)(10)称为霍尔灵敏度。表示霍尔元件在单位磁感应强度B和流经单位电流I时的霍尔电势差的大小。大小决定了当一定时,霍尔电势差的大小,其值由材料的本身决定。

那么对一定的元件,是常量,单位为•,常用单位是。由(9)式知,对和小的元件较高。由(10)式知,对确定的元件,当电流一定时,霍尔电势差与该处的磁感应强度成正比,因而可以通过测霍尔电势差而间接测出磁感应强度,即(11)实验仪器:Pc机一台,数据采集器一台,微电流传感器,量程10μA,及电流传感器,电压传感器,配套软件为朗威DISLab;CVM-200型霍尔效应仪,含实验台和测试仪,实验台包括一个电磁铁(产生匀强磁场),一个霍尔传感器(置于电磁铁缝隙中),其位置可调节,左右两个开关分别控制霍尔传感器工作电流和电磁铁线圈激励电流的方向,中间开关向上闭合用以测量霍尔传感器输出的霍尔电压,向下闭合用以测量霍尔传感器上的电压降U0。仪器上标有该霍尔传感器的灵敏度,注意要将单位mV/(mA*KGS)换算成国际单位制。测试仪含电源和测量仪表,两个恒流源分别输出霍尔传感器工作电流和电磁铁线圈激励电流,调节和,可实现实验条件的控制和改变,以前是两者共用一个电流表读值,现改为两个电流传感器采集和值。因值是毫安级,故用微电流传感器;而激励电流值是安培级,故用较大量程的电流传感器;以前用自带电压表用来测量霍尔电压和U0,现改为用小量程电压传感器采集数据。读数单位是毫伏。

霍尔实验过程:

1、将DIS数据采集器正确装配于pc机相关接口,按照图二、图三示意连接好电路,分别将微电流传感器和电压传感器接入数据采集器;

2、将pc机开机并打开朗威DISLab软件,将开关断开并将各传感器归零位;

3、将测试面板上"输出"、"输出"两对接线柱分别与实验台上的两对相应的接线柱正确相连(因还要使用测试仪所带可调节输出值的电源);切不可将"输出"、"输出"连错,同时将微电流传感器串联于电路,而电流传感器串联与电路,再将实验台"输出"与电压传感器相连。(各传感器均为红线流入电流)测试仪开机前将各调节旋钮逆时针方向旋到底;

4、保持=0.9A值不变,调节输出值分别为0.1、0.3直到1.1毫安系统获得如表一数据,并拟合~曲线,为一斜线故为线性关系;

实验结论:①利用霍尔效应测磁场:将霍尔元件(已知参数)放人待测磁场中,并通以额定电流,测量出霍尔电压由(11)式可得出磁场强度。特斯拉计原理。

②利用霍尔效应由5、6、7式可确定材料的导电类型、载流子浓度及迁移率。

③霍尔电压大小与霍尔元件中流过的电流强度和磁感应强度成正比,而与霍尔元件的厚度成反比。

④消除误差的方法:对于产生霍尔效应同时产生的负效应(误差的主要来源),如厄廷好森、能斯特效应、里纪-勒杜克效应和制作工艺(不等势电压降)产生的误差,我们可以通过改变输入电流和磁场的方向加以消除,如规定电流和磁场正反方向后分别测量出由下列四组不同方向的电流和磁场的组合的即+B+=U1B+=U2B=U3+B=U4求U1U2U3U4代数平均值÷4即可。

⑤由的符号判断样品的导电类型:判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向,若测得的的值是正值,样品属型,否则,为型。判断时一定要注意到电流、磁场和霍尔电压的值必同时为正时才成立。

⑥根据4、5、6、7式推导知霍尔器件对材料的要求:霍尔电压大小的关键是选择霍尔系数大(即迁移率高、电阻率低)。而半导体固有特性决定了它是制造霍尔元件较理想的材料之一,并且型材料要优于型材料。其次,霍尔电压大小与材料的厚度成反比,薄型的霍尔器件输出电压较片状要高许多。

电流传感器范文第4篇

关键词:OCT 法拉第磁旋光效应 二次转换器 合并器

1、结构

OCT整体结构由电流传感部分、信号传输部分和合并单元部分三部分组成。

1.1 电流传感部分

电流传感部分主要包括一次导体、高压壳体和光学电流传感器，其中光学电流传感器采用基于法拉第磁旋光效应原理的传感器。

1.2 信号传输部分

信号传输部分采用光纤复合绝缘子。光纤复合绝缘子由空心套管构成支撑件，套筒内抽真空后填充绝缘脂，以增强绝缘性能。

1.3 合并单元部分

合并单元部分采用标准机箱结构，主要包括二次转换器装置和合并器装置。

1.3.1 二次转换器装置

二次转换器装置主要包括稳压电源插件、信号采集插件、光源插件。

稳压电源插件：用于提供装置所需工作电压，包括+5V、±15V和24V电压输出。

信号采集插件：用于采集、处理并发送电流信息，主要包括光发送模块、光接收模块、低通滤波和模数转换模块以及数据处理和发送模块。

光源插件：用于给传感器提供所需光源。

1.3.2 合并器装置

主要包括同步功能模块、数据接收和处理模块、数据配置和通讯模块和以太网发送模块。

2、主要工作原理

2.1 光学电流传感器

OCT的电流传感器采用基于法拉第磁旋光效应原理的传感器，其原理为线性偏振光通过在磁场环境下的介质时，偏振的方向会发生旋转。它是对被测电流周围磁场强度的线积分，即线偏振光在磁场H的作用下通过磁光材料时，其偏振面旋转了角度，可以用下式描述：

式中V为光学材料的维尔德（Verdet）常数，所谓维尔德常数也就是介质的旋光特性，所有材料都存在法拉第效应，对于抗磁性介质，磁效应最弱，对顺磁性及铁磁性介质，一次一个比一个强，但是只有抗磁性介质的维尔德常数不受温度的影响，其单位是rad/A；H为磁场强度，它是由导体中流过的待测电流引起的；l为光纤在材料中通过的路程；K为磁场积分与被测电流的倍数关系。

只要测量出法拉第旋转角就可以按上式求得磁场强度的大小，即测出产生产生这个磁场的电流大小。

2.2 信号采集插件

信号采集插件主要功能是采集一次电流信息并按二次转换器数字输出的规约向合并器发送，它主要包括：

(1)光发送模块，向一次电流传感器发送LED光信号。

(2)光接收模块，接收一次电流传感器传送的经过调制的包含电流信息的光信号，并进行光电转换。

(3)模数转换模块，接收光电转换的模拟电压信号，经低通滤波电路进入模数转换回路转换为数字信号。

(4)数据处理和发送模块，采用32位DSP处理器，其工作频率为150MHz。接收模数转换送入的数字信号并处理恢复一次电流值，按照与合并器约定好的协议进行数据组帧并向合并器发送数字信号；接收同步信号，以保证与其它信号采集插件的信号采样同步。

2.3 合并器

合并器主要功能是同步接收并处理多达9路二次转换器的信号采集插件传来的数字信息，汇总后按照标准规定的格式实时保真地对外提供数字量数据。合并器主要包括以下部分：

(1)同步功能模块，保证与合并器相连的多路二次转换器传来的采样数据的同步，并保证全站的合并器能够同步。

(2)数据接收和处理模块，同时接收多路二次转换器传来的数字量数据并对其有效性进行判断，并按二次转换器数字输出的规约进行解帧处理，并按照相关配置信息将这些数据传送给数据配置和通讯模块。

(3)数据配置和通讯模块，接收相关配置信息和数据接收和处理模块传送来的采样数据，并将采样数据按照配置信息分发给以太网发送模块。

(4)以太网发送模块，将从数据配置和通讯模块传送过来的数据按照合并器数字输出的规约组帧，并通过光纤以太网发送给二次计量、保护等装置。

3、光学电流互感器与传统互感器的比较

与传统的电磁感应式电流互感器相比，光学电流互感器具有如下优点：

(1)具有优良的绝缘性能，抗电磁干扰性能好，不存在流变二次开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。

(2)不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题，从而使互感器运行暂态响应好、稳定性好。同时，由于不存在饱和问题，OCT的运用简化了部分微机保护的原理。

(3)有很宽的动态范围，可同时满足测量和继电保护的需要。

(4)频率响应范围宽，可测出高压电力线上的谐波，还可进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量。

(5)可直接与数字化保护和测控设备接口，避免中间环节。

(6)绝缘结构相对简单，不采用油作为绝缘介质，不会引起火灾和爆炸等危险。

但光学电流互感器也并非没有缺点,它在工程应用上的主要问题为：光学系统的长期稳定性还要得到进一步工程应用的检验，环境温度的变化会导致维尔德常数发生变化，LED的发光波长随温度的变化而变化，波长的变化又会导致维尔德常数变化；光学部件准确定位的困难，组装时的应力会导致双折射，利用双光路减弱干扰双折射时光路系统相当复杂，光学系统的加工装配工艺有待提高，光学材料的加工工艺、光路耦合工艺、光路的装配工艺要求都很高；现场校验问题，输出为弱电信号且包括数字量，必须探索新的校验方法。

4、结语

随着光学电流互感器技术的日臻成熟，将引领变电站自动化应用技术进入一个全新的发展阶段。目前光学电流互感器在实际领域中应用较少，还有待进一步实际的观察检验和改进。

电流传感器范文第5篇

关键词 霍尔传感器；隔离传送；监控报警；传感精度；线性度

中图分类号TP227 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）98-0175-03

0 引言

在四遥系统中对直流电压隔离传送的要求非常高，必须是高精度的，否则将无法达到自动控制的目的。进行静电隔离，传统方法是应用光电式传感器（如光敏二极管、光敏三极管）实现。但若环境温度发生变化，光敏管的暗电流和光电流将随温度的变化而变化，因此只能实现直流隔离。而无法达到直流电流高精度的隔离传送的目的。与此相比，温度效应、传感灵敏度、线性度等特性都十分良好的新型霍尔传感器的优势凸显出来。测量直流电流的传统方法是在待测电路中串入取样电阻，将通过取样电阻的电流信号转换成电压信号，然后进行测量[2]。该方法无法直接进行隔离测量，在直流隔离检测上无法应用。而基于霍尔效应磁平衡原理研制出了传感精度高、线性度好、温度漂移小和输入与输出之间高度隔离的新型传感器，达到了直流电流高精度的隔离传送的目的。另外，霍尔传感器在监控量越限时准确报警中也显示出了极大的优势。

1 实验原理

如图1所示，当原边电流II在原边线圈N1上所产生的磁通量与霍尔电压经放大后而形成的副边电流I0通过副边线圈N2所产生的磁通量平衡时，原边磁动势N1II等于副边磁动势N2I0，因此副边电流I0将精确地反映出原边电流值II，这就是磁平衡原理。

2 霍尔传感器的主要性能指标

2.1传感精度

精度，即表示测量结果与“真值”的靠近程度，一般用极限误差来表示，或者用极限误差与满量值之比按百分数给出。定义为霍尔传感器的电压传感精度，

2.2线性度

线性度又称非线性，即表示传感器的输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，用+S、-S表示。

3直流电压高精度的隔离传送与检测

根据实验电路图测量出实验数据如表1所示。

由表2、图5及计算结果分析可知，霍尔开关量传感器在监视控量越限中，由于霍尔传感器应用了霍尔电压闭环原理，使得传感器的传感精度可以达1.5mV，线性度+S可以达到0.16%，-S达到0.12%，完全能够实现监控量（电压）越限时准确隔离报警，起到及时保护精密仪器和设备的作用。

5 结论

1）本实研究了霍尔传感器在直流高精度隔离传送与检测中的应用，研究了霍尔传感器的传感精度、线性度等重要指标。由于霍尔传感器应用了磁平衡原理和磁比例式原理，再加上霍尔元件良好的温度特性，实验发现，霍尔电流传感器在直流电压隔离传送与检测中，不仅传感精度很高，线性度也很好，而且还能实现高精度的隔离与检测，所以能广泛应用于自动化和信息技术中；

2）另外，新型霍尔效应传感器还可应用于直流电流或电压越限时的隔离报警， 能够实现精确报警，把计算机监控系统与受控系统隔离开来， 确保计算机的安全和可靠运行。

参考文献

[1]瞿华富.霍尔效应在直流电压隔离传送中的应用[J].物理实验，2007，27（2）：16-18.

[2]高锋.新型非介入式直流电流传感器的原理与应用[J].电子器件，2006，29（3）：684-687.

[3]王植恒，何原，朱俊.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2008：246-254.

[4]吴腾奇. 霍尔传感器极其应用[J].传感器世界，2007（3）：21-24.

[5]周日贵，聂爱球，等.霍尔效应实验误差分析.物理实验，2002，22（6）：41-42.

[6]曾晓英.亥姆霍兹线圈磁场的均匀性分析及误差错估算.物理实验，2000，20（5）：38-39.

电流传感器范文第6篇

【关键词】巨磁电阻 电功率 传感器

1 实验原理、实验材料和实验方法

1.1 实验原理

1.1.1 电流的测量

开环式GMR电流传感器通过直接测量长直导线上电流产生的磁场来测量电流。电流方向与传感器的敏感轴方向正交，电流产生的磁场方向与敏感轴方向平行。假设流经导线的电流为I，传感器距离导线的距离为d。当电流变化时，磁场随之变化，GMR的电阻也发生变化，利用电桥结构将电阻的变化输出为一个电压信号。由于GMR电阻和磁场之间具有线性变化规律，输出的电压正比于被测电流，从而实现电流信号的测量功能。如图1所示。

巨磁电阻传感器采用惠斯登电桥结构，由四只相同的巨磁电阻组成，其中和受外磁场作用时电阻增大，而和电阻减小。图2为电流传感器常用的电桥结构。

一般情况下，GMR电桥的输入电阻可视为恒定，输出信号正比于被测电流与电桥输入电压的乘积。输入电压恒定时，GMR传感器为电流传感器。

因为变化的电流周围产生变化的磁场，当被测电流为I时，对应产生的磁场为B，巨磁电阻受到磁场作用电阻发生变化，平衡电桥结构被破坏，将电阻的变化输出为差分电压信号，若巨磁电阻工作在线性区，测得磁场B与电压信号呈线性关系，即B正比于。

GMR功率传感器的设计，如图3所示。

将GMR传感器放置在导线上方的某个位置，使传感器敏感方向与导线产生的磁场方向一致，调节电流大小，以改变磁场大小，进而与传感器输出建立关系。

1.1.2 电压的测量

负载电压为了简便测量使用万用表进行测量，U=U负载。

1.1.3 电功率的测量

由上述方法测得电流和电压值，利用单片机处理传感器输出电压，得到待测电流值，根据进行运算，并通过LCD屏显示电功率P，则电功率P为

1.2 实验器材

（1）NVEAA002e多层膜巨磁电阻传感器，工作电压0-5V；

（2）HMC1021Z各向异性巨磁电阻传感器，工作电压0-5V；

（3）100Ω电阻，作为外电路负载；

（4）万用表，直接测量负载电压值；

（5）LCD显示屏；

（6）单片机；

（7）多孔板，漆包，导线若干。

1.3 实验方法

1.3.1 电流强度I的测量

GMR传感器通过负载两端电压供电，在电压输出端输出差分电压信号。由磁场大小可计算得电流为

（1）

1.3.2 电压U的测量

为了简便测量方法，电压的测量采用直接测量法，即使用万用表测量电压值。

1.3.3 电功率P的测量

（见图4）电压输入采用电阻分压，电流输入中电阻和电位器的选择类似于电压输入电路，模拟乘法器采用的是AD633，带宽为1MHz，输入范围为0-10V，为滤除模拟乘法器输出中的交流成份，设计了滤波电路，以便于数字式表头显示。

2 实验结果与分析

2.1 各向异性传感器对电功率的测量

根据实验原理，利用各向异性传感器制作了电功率测量计，并对待测电流进行测量，实验测量图如附图1。由表1数据拟合可得y = 0.2324x+6.9365，R2=0.9476，待测电流与输出电压基本吻合线性关系，如图8所示。

由以上图5我们可以看出，各向异性传感器的图线刚开始线性很好，最后一段图线线性也很好，只是中间有一段区域线性很差，通过查阅资料，我们得知各向异性传感器芯片在磁场较大时灵敏度会降低，于是我们就此通过改变实验中线圈的匝数来减小实验磁场的大小，重新进行实验，实验结果有表2，由表2数据可得拟合图线：y = 0.6692x+0.5470得到的新图线如图9所示。

由新图6 可知减小磁场后图线的线性度明显更好了，所以我们可以得出结论：之前各向异性传感器图线线性度之所以呈“好-差-好”的特点，是因为测定后面的曲线时由于电流过大、线圈过多导致实验中的磁场过大，使芯片的灵敏度降低，导致后面图线的线性度与之前测量图线的线性度有偏差，所以才出现了中间线性度很差的一段曲线。

2.2 多层膜传感器对电功率的测量

根据实验原理，利用多层膜传感器制作了电功率测量计，并对待测电流进行测量，实验结果如表3所示，由表3数据拟合可得y= 0.0746x+6.4158，R2=0.969，待测电流与输出电压完全吻合线性关系，如图7所示。（线圈绕匝板匝数与各向异性传感器第二次实验的时候相同）

由上面实验可知：多层膜传感器得到的图线线性程度远远强于各向异性传感器，并且多层膜传感器的线性区域更大，在线圈绕匝板相同的情况下，多层膜传感器测得的电压值远大于各向异性传感器，便于单片机的采集处理，所以我们这个实验选择多层膜传感器。

由于本实验是控制变量实验，前后实验控制的变量是芯片，实验测量图如附图2所示。

2.3 多层膜电功率计的定标

由上述测得待测电流与输出电压的关系，可知y= 0.0746x + 6.4158，利用单片机对输出电压进行处理。

实验过程中的实际效果如图8所示，图中红黑插头为从仪器中接入的电流。

在以往的实验中，外接电路一般会对实验结果有影响，在这里我们也要讨论一下外接单片机是否会对实验结果有一定影响。

首先我们将单片机接入电脑，连接外电路，进行实验，分别记录有无单片机的情况下，功率计的显示读数。实验结果记录如下表4，表5所示。

为了探究外接单片机是否对实验结果有影响，我们分别做出了使用单片机和不使用单片机所得电流与输出电压的关系图，并进行了拟合：

由上图9我们可以看出两条拟合直线（poly c与poly d）几乎完全重合，我们先算一下该实验的误差：

η=Σ

所得结果为0.56%，则在误差允许的范围内可以认为外接单片机对该实验结果无影响。

3 结语

巨磁电阻材料本身具有下列特性：其阻值可以随外界磁场的改变而变化，通过控制阻值的变化可以间接地控制其它的电学量并将其应用于日常生活中。巨磁电阻的应用前景十分地广泛：在磁场方面，巨磁电阻传感器具有较宽的磁场测量范围，较高的响应频率和灵敏度以及较强的温度适应性，在磁场线性测量领域具有较为明显的优势。巨磁电阻位移传感器具有高灵敏度和高线性度，在不同环境温度下，输出电压与位移具有良好的线性关系，说明其温度稳定性好，应用前景比一般传感器也更为广泛。另外，巨磁电阻传感器用于转速测量具有测量精度高、频率范围宽、无需温度补偿等特点。

参考文献：

[1]何金良，嵇士杰，刘俊等.基于巨磁电阻效应的电流传感器技术及在智能电网中的应用前景[J].电网技术，2011，35（5）：8-14.

[2]石海平，冯洁，陈翔等.巨磁电阻传感器对铁磁流体的动态检测[J].仪器仪表学报，2011，32（5）：1033-1037.

[3]钱政. 巨磁电阻效应的研究与应用[J].传感技术学报，2003，12（4）：516-520.

电流传感器范文第7篇

【关键词】变电站;分布式直流接地;监测方法

1.引言

变电站直流接地系统是变电站保护的重要组成部分，其安全性直接影响到电网的正常监控以及事故处理的正常进行。变电站直流接地系统一般是采用二次直流电源，它向控制系统、信号回路、继电保护和自动装置提供工作电源。

2.变电站分布式直流接地系统

图1为典型的变电站直流系统，它主要由电源侧和负载侧两个部分组成。一般还在中间配置一个集中式的直流报警系统，以便能够及时监视负载侧的直流接地绝缘状况。由图1可知，电路中的负载主要是通过直流母线引出，进而形成一个配网式的多级树形结构。而直流电源则是先从电源侧引出一条小母线，再通过小母线接到负载或是次一级的小母线。然后次一级小母线再向下到负载或者再次一级小母线。循环往复，组成变电站分布式直流系统。另外，直流系统一般将直流端子Dog安装在任意空气开关的下侧，以便监测空气开关下的负载侧。由于直流接地系统是分布式结构，因此直流端子Dog也采用分布式安装在直流系统的每个位置。此监测系统即为分布式直流监测系统。

图1 典型的变电站直流系统

图2 信号寻迹法原理图

3.分布式直流接地绝缘监测技术

3.1 信号寻迹法

信号寻迹法可以实现不停电的支路查找接地事故。因此，从上世纪90年代末开始，电力单位就已经采用以信号寻迹法为理论基础的微机型直流接地巡检仪查找监测110kV及以上变电站的接地事故。该方法主要是利用在直流馈出支路上安装毫安级的电流互感器（CT）来进行接地监测。如图2所示，当仪器监测到正负母线接地绝缘电阻低于正常门槛值时，装置就会在正母线上注入一个低频交流信号，然后 CT再通过二次检测各支路的低频电流幅值以及相位，进而算出各支路的绝缘电阻。但是由于该方法必须向被测直流系统施加一定强度的交流信号，因此不适用于对安全性要求很高的特殊电力系统。另外，信号寻迹法的测量精度还严重受分布电容的影响。所以对分布电容较大的系统来说，该方法很难精确地提取有功分量，从而影响正确检测。

3.2 直流漏电流监测法

直流漏电流监测法主要依赖于直流系统本身由于接地而带来的结构变化所造成的直流电流以及电压的变化量进行监测。它不仅原理简单，而且监测精度高。为了克服这一缺陷，人们在此基础上进行了改造。即将主控室的各保护控制屏、10kV开关柜以及户外开关场的负载#1至#n分别安装相互独立的智能型直流接地指示器。如图3所示。当该接地指示器上的负载发生直流接地时，指示器就会自动报警，实现对直流接地位置的正确判断。

图3 基于直流漏电流监测原理的

分布式直流接地检测方法示意图

3.3 电桥平衡技术

早期变电站的直流系统一般都是采用电桥平衡技术来监测接地故障，其基本原理如图1所示。其中R+和R-分别是正负直流母线接地电阻，R为监测装置内部的监测电阻，RJ为继电器的监测电阻。当R+和R-很大时，只会有微小的不平衡电流通过RJ。而当直流母线的某一级接地电阻降到最低门槛值时，电桥则会失去平衡，绝缘监察装置立即发出接地报警信号。因此电桥平衡法能够有效地监测出直流系统接地事故。但是该方法只能监测直流母线的电压信号，无法准确判断出具体的那个馈出回路发生接地。

图4 电桥平衡技术监测接地故障的基本原理

4.分布式直流接地差流监测方法

4.1 基本原理

差流监测法主要是利用不平衡桥来检测母线的绝缘状况，然后再结合直流漏电流传感器来实现对分支故障的检测工作。此方法不必向系统注入低频信号，因此不会对直流系统造成干扰。而且和系统分布电容的大小也没有直接关系，检测灵敏度较高。图5为分布式直流接地差流监测法示意图。由图5可知，该方法通过将非接触式直流漏电流传感器融合到电路中，可以检测出任一分支的正负导线流入和流出电流差值的大小以及方向。

4.2 分析方法

如图5所示，在K+或K-闭合期间，如果没有绝缘电阻下降或者接地故障，那么穿越漏电流传感器的正极电流I+以及负极电流I-则表现为大小相等、方向相反。所以漏电传感器输出为0。而当K+闭合、K-断开时，如果分支电路的负极绝缘电阻下降或者接地，那么分支负极接地电阻RZ-就可以与正母线绝缘监测电阻R通过大地来形成回路，穿越漏电流传感器的正极电流以及负极电流之差变为IZ-。另外，当K+断开、K-闭合时，如果分支电路的正极绝缘电阻下降或者接地，那么分支正极接地电阻RZ+就可以与负母线绝缘监测电阻R通过大地来形成回路，穿越漏电流传感器的正极电流以及负极电流之差则变为IZ+。所以我们可以根据各支路的直流漏电传感器输出情况以及输出电压的极性来判断该支路是否存在接地故障。

图5 分布式直流接地差流监测法示意图

5.智能型直流接地指示器监测法

5.1 基本构造及原理

智能型直流接地指示器主要包含接地信号传感、报警阈值设定、信号分析处理、信号指示与输出以及电源等功能部件，它是一个独立工作的智能装置。具体的电路原理如图6所示。该仪器监测灵敏度高，安装工艺简单、配置灵活且具有较高的可靠性。

图6 智能型直流接地指示器的电路原理示意图

5.2 实例分析

选取广东电网公司佛山供电局的1个110kV变电站开展智能型直流接地指示器的实验工作。并在直流回路上进行简单的+KM、-KM以及+HM模拟接地测试，测试结果如表1所示。由表1可知，基于分布式直流接地监测方法的直流接地指示器在多种接地情况下均可以准确快速地定位接地点。

6.结束语

总而言之，不论是以上所分析的几种变电站分布式直流接地监测方法，还是其他比较新颖的方法（如交流信号注入法等）。虽然优点突出，但仍然或多或少地具有一些不足。我们在选用时一定要根据变电站自身的特点，必要时可结合几种方法同时进行监测排除接地事故。切实将接地事故的监测工作做全做好，保证供电安全。

参考文献

[1]余波，徐丙华，黄吉，李祥筠，邰能灵.分布式直流监测系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2010，38（19）.

[2]李勇，熊小伏.变电站分布式直流接地监测方法及应用[J].云南电力技术，2013，41（z1）.

[3]戴平，吴健，龙涛，熊小伏，李善波.变电站直流系统接地点定位新技术及实施[J].四川电力技术，2013（5）.

电流传感器范文第8篇

【关键词】传感器 闭环控制 实验仪

1 引言

随着工业自动化技术的飞速发展，精密控制的社会需求越来越广泛。以工控机、可编程控制器（PLC）和微处理器（Micro-computer，MCU）为代表的计算机智能控制技术向着精密、可靠、准确，特别是闭环控制的方向发展。工业动力源主要是以电机转动的方式驱动负载。实现对电动机的准确检测和精密控制彰显其重要地位。对电机运动状态描述分为开环检测和闭环控制。

开环检测主要依靠传感器、检测仪表、检测系统对电机的各项技术参数指标进行在线实时的监测与记录。

闭环控制主要依据传感器、智能控制单元通过程序实现预期或预设运行状态实时控制。一般可分成三种：

速度闭环，如：纺织机械纺线速度控制，数控机床稳速控制、离心机恒速转动；

位置闭环，如：电梯升降位置、机床进刀位置、云台精密位置跟踪；

功率闭环，如：轧钢机械、起重机、煤矿机械、石油钻井设备等重载控制。

要实现精密控制，选用高品质传感器是先决条件。磁敏传感器是近年来高速发展并迅速实现产业化的新兴技术领域。对于转速、旋转位置、功率测量均有多种不同原理的系列传感器开发成功并在数十个技术领域得到广泛应用。比如角度传感器、磁编码器、齿轮测速传感器、电流传感器等。

闭环控制在自动控制中的地位十分重要，但是在目前的高等院校的教学过程与教学环节上，仅仅停留在课堂讲授教学上，没有实验仪器可以对各种闭环控制进行动手实验和操作实践的教学仪器。本项研究在基于多种磁敏传感器的基础上，采用PLC和触摸屏实现对磁敏传感器性能和不同闭环控制特性进行研究，为高等院校物理教学、电子电工教学、自动化技术、机电一体化、工程设计等众多学科提供全新教学内容的教学实验仪器或演示实验仪。对于推动高等院校教学内容与当代科技前沿技术紧密结合，增强课堂教学知识理论与实验的结合、实现学科交叉创新进行了有益的尝试。

2 实验仪功能与实验原理

新一代磁敏传感器综合实验仪便是基于此教学需要所设计的，是一套基于PLC和触摸屏，以电机闭环控制实验和磁敏传感器测量为主体的实验仪器。本实验仪设计新颖，涉及直流电机特性、磁敏传感器原理、信号转换与处理、传感器性能测试和评估、现代开环检测和闭环控制原理、西门子PLC技术等多交叉学科知识点，易于学生对所学各专业知识进行综合运用，为创新型教学奠定基础。

在新一代的磁敏传感器综合实验仪中，主要为两方面的实验系统。一个是磁敏传感器实验，另一个是对于电机控制而言电机特性的实验。功能框图如图1。

2.1 磁敏传感器基础特性实验

2.1.1 角度检测、倾斜角检测实验

角度检测系统由磁敏角度传感器与磁敏倾斜角传感器，以及分度值为1’的标定盘和前面板显示仪表组成。角度传感器安装在标定盘的后侧，与其同轴连接，检测标定盘内外盘的相对转角。倾斜角传感器安装在标定盘的前侧，用来检测倾斜角度。角度标定盘的内盘和外盘可相对转动，相应的角度量由两盘边缘的刻度盘读出。角度传感器和倾斜角传感器输出4-20mA电流信号，经由电路转换为0-10V电压信号接入PLC，由PLC信号处理后在触摸屏上显示角度和倾斜角实验数值。可利用两种传感器同时测量，同时研究两种传感器的使用特性。

2.1.2 位移检测系统实验

位移检测系统由磁敏位移传感器和螺旋微位移尺组成。位移传感器量程为cm级。螺旋位移尺的顶头与位移传感器的滑动顶头对顶共线安装， 当旋动螺旋位移尺的旋头，其尺头顶着传感器的滑动杆共同滑动，带动位移传感器的磁铁发生直线位移，磁敏元件感受磁场变化输出电压信号。同样由PLC接收电信号，进行处理并在触摸屏上显示出来。传感器输入位移由螺旋千分尺刻度读出，精度为0.01mm。

2.2 磁敏传感器电机实验

在磁敏传感器电机实验中，分为电机速度开环检测，以及速度、位移和功率闭环控制实验。硬件上主要由PLC西门子s7-200、触摸屏、直流无刷电机、电机驱动电路、磁敏编码器、电流传感器、齿轮和皮带组成。软件部分用由西门子公司研发的step7编程软件编写的PID控制及信号处理程序实现。原理图如图2所示。

2.2.1 速度闭环实验

在触摸屏上选择速度闭环控制实验。给定电机预定转速值，电机实时速度值由磁编码器进行检测，磁编码器信号由PLC进行采集并经过相关处理，比较实时转速与预设转速的差异，经过PID算法，发出控制信号调整电机工作电压信号，使转速达到预设值，从而实现电机的速度闭环控制。

设计中，设置PWM波的周期和脉宽的增量单位为微秒（us），为了增大可调范围，设周期值为最大值65535us（即PWM波的频率约为15.26Hz），对于PWM波的宽度（即占空比）的调节（即对电动机转速的调节）是通过特殊存储器的SMW28来实现的，SMW28中的数字分别对应于模拟电位器0和模拟电位器1动触点的位置（只读），在STOP/RUN方式下，每次扫描时更新该值。这种周期时间保持常数变化脉冲宽度的PWM操作称为PWM的同步更新，波形特性的变化发生在周期边沿，这样可为每一个PWM波提供平滑过渡。

2.2.2 位移闭环实验

在触摸屏上可选择位置闭环控制实验模式。给定预设位移量，PLC接收到位移量，计算出输出PWM脉冲数，控制电机运转位移量。其中同样是以高精度磁敏编码器作为检测电机的输出转速反馈。演示实验可由皮带传动装置进行演示。重点在于理论上位置准确测量有赖于电机运转的加速度、平稳运行时间、减速度及其控制，最终实现位置的准确测量。

2.2.3 电流闭环实验

电流传感器采用霍尔开环和闭环电流检测原理，采集电机工作电流，并输出电压信号。电机工作时，PLC采集电流传感器输出信号，结合速度控制，从而检测负载不同对电机运行状态的闭环控制效果。教学与演示的重点在于，在带负载的情况下要保持电机转动的恒速性，需要对电机的通电电流大小进行测量，反馈控制对电机的电源或动力增补，达到稳速运转。

3 实验仪器硬件概述

本实验仪设计中，硬件部分的选择主要考虑的是控制器部分与电机驱动电路部分。前者决定着整个系统的功能、精度。后者是电机闭环控制的前提保障。另外，本实验仪系统中显示与操作系统采用的是触摸屏，在设计上大大简化了之前的显示仪表及控制开关。由之前的数字仪表、液晶屏显示、键盘输入统一集成到了触摸屏上，可以在触摸屏上进行读取实验结果或开关控制。

3.1 微处理器模块

控制器是整个微电机性能测试系统实验装置控制电路中最核心的部分。所以为了达到预期的目的一定选择要选择合适的控制器，在选择控制器时，主要从以下几方面进行的考虑：

（1）由于要处理较多的数字信号，所以选用具有IO口较多的控制器；

（2）由于采用PWM方式驱动电机，所以选用具有内置PWM发生器的控制器；

（3）由于电机的反馈通道较多，且考虑用定时方式进行采样，并且要用计数器采集编码器的脉冲数，所以要求具有多个定时/计数器的控制器。

（4）选用具有PID控制模块的控制器；

（5）由于考虑到后期与触摸屏进行连接通信，考虑使用可方便控制触摸屏的控制器。

经过以上及一些其他因素的考虑，最终选择了西门子公司生产的S7-200系列PLC中的224xp系列作为此微电机性能测试系统实验装置的控制器。

3.2 电机驱动电路

此微电机性能测试系统装置采用PWM方式控制电机，而西门子s7-200本身具有PWM输出通道，所以要选择一种用于运动控制的PWM为输入信号的H桥组件，并且由于电机旋转难免遇到电流冲击的现象，所以要选择一种峰值电流较高又有过热和过流保护的驱动芯片。这样选择了LMD18200。

LMD18200是美国国家半导体公司（NS）推出的专用于运动控制的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件， 峰值输出电流高达6A， 连续输出电流达3A， 工作电压高达55V，具有温度报警和过热与短路保护功能，而且具有良好的抗干扰性[4]。

3.3 触摸屏

在本实验仪中，创新性地引入了触摸屏，作为系统的操作与显示界面，选用的是便于与西门子s7-200通信的触摸屏组件，其采用的是7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），供电电源为24V，可与西门子s7-200同源供电。

触摸屏优化如下：

在触摸屏上可实时读取实验数据（表盘格式和数字显示），并可以记录历史记录、绘制实验数据历史曲线图。方便操作者记录、分析比对数据，更好的观测分析传感器和电机特性。

大部分按键输入开关可集成在触摸屏内，结合PLC编程来替代实现。

显示、控制界面的相互切换，从而优化了磁敏传感器综合实验仪的整体设计构造。使得实验平台更加简洁方便。

4 结束语

磁敏传感器综合实验仪是将现代科学研究的前沿技术向基础教学的转化，内容上综合了多种交叉学科知识扩展点。将传感器检测技术与自动化基础实验有机融合为一体，形成综合性较强的实验平台。对物理类、自动化类、检测类、机电一体化等各种工科专业系列课的学习提供了良好的实验平台。

参考文献

[1]高翠翠，田跃，黄筱玲，et al.磁敏传感器综合实验仪[J].物理实验，2008（03）.

[2]朱新宇.电子设计自动化实验系统的开发与应用 （硕士）[D].北京邮电大学，2012.

[3]吴国中，邓嘉，朱旭平.西门子PLC对步进电动机的控制[J].自动化技术与应用，2006（09）.

[4]王翔.S7-200 PLC在数字伺服电机控制中的应用[J].自动化技术与应用，2006（06）.

作者简介

安星硕（1988-）男，山东淄博人，北京科技大学数理学院物理系硕士研究生，研究方向为磁敏传感器、自动化控制。

指导老师

田跃（1956-）男，北京人，北京科技大学数理学院物理系教授，研究方向为物理电子学、传感器技术。