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於鐵芯材料的非線性磁化特性
，其敏感元件為高磁導率、易飽和材料製成的鐵芯，有兩個繞組圍繞該鐵芯：一個是激勵線圈，另一個是信號線圈。在交變激勵信號fl的磁化作用下，鐵芯的導磁特性發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線圈感應出反應外界磁場的信號。

　　yinweicitongmenchuanganqishiliyongbeicecichangzhonggaodaocilvcixinzaijiaobiancichangdebaohejilixia

，qiciganyingqiangduyucichangqiangdudefeixianxingguanxilaiceliangruocichangde。zhezhongwulixianxiangduibeicehuanjingcichanglaishuohaoxiangshiyidao“門”，通過這道“門”，相應的磁通量即被調製，並產生感應電動勢。利用這種現象來測量電流所產生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。

　　磁通門電流傳感器原理圖

　　二
、磁通門電流傳感器的構成

　下圖是磁通門電流傳感器的係統構成

　　磁通門電流傳感器係統構成框圖

　　電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)係(xi)統(tong)框(kuang)圖(tu)所(suo)示(shi)。電(dian)流(liu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)的(de)磁(ci)場(chang)在(zai)磁(ci)通(tong)門(men)探(tan)頭(tou)內(nei)經(jing)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)調(tiao)製(zhi)後(hou)，通(tong)過(guo)峰(feng)值(zhi)檢(jian)波(bo)和(he)積(ji)分(fen)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)有(you)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，然(ran)後(hou)經(jing)過(guo)反(fan)饋(kui)，使(shi)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)工(gong)作(zuo)在(zai)零(ling)磁(ci)通(tong)狀(zhuang)態(tai)。

　　圖1：磁通門繞組結構圖

　　下麵本文以結構簡單並且應用較廣泛的一種單繞組磁通門進行介紹。如圖1所示：環形磁芯上繞有線圈
，此繞組即作為激勵繞組又作為測量繞組，所測電流從磁環中間穿過。

　　圖2：普通磁環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點開始
，此點表示最大正磁化力

，至b點磁化力為零
，然後下降至c點為最大負磁化力，再至d點磁化力為零，最後返回最大正磁化力的a點，此即為整個磁性周期。高導磁率、低矯頑力磁芯的磁滯回線如圖3所示。

　　圖3：高u磁環的B—H曲線

　　當我們在磁環導線中加入電流分量後
，電流所產生的磁場會使原本對稱的B-H磁滯回線會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B—H曲線

　　假設激勵磁場強度為：Hmcosωt，就能得到磁通門磁芯上的總磁場強度為：

　　……1

　　式中：

　　H 0——為導線電流在環形磁芯上的磁場強度
；

　　H m——為激勵磁場強度幅值；

　　ω——為激勵場角頻率。

　　則線圈中的感應電動勢：

　　……2

　　式中：

　　N——為繞組線圈匝數；

　　S——為環形磁芯的截麵積；

　　uTd——為磁芯物質的微分磁導率。

　　根據磁飽和特性，當H0 =0時，H（t）= Hm cosωt
，在磁飽和作用下磁感應強度為：

　　……3

　　式中：Ba為磁化曲線飽和段延長線在B 軸上的截距
，顯然，B（t）是對時間軸上下對稱的平頂波，根據傅裏葉級數分析，它隻含奇次諧波不含偶次諧波。

　　當外磁場H0≠0時，H（t）= H0+Hm cosωt，B（t）的表達式為：

　　……4

　　這時，B（t）成為上下不對稱的平頂波，根據傅裏葉級數分析可知，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）應含有相似的波形成分
，因此
，可以根據E（t）在激勵周期內的振幅的上下不對稱來檢測外電流所產生的磁場B0，從而達到測量電流的目的。

　　整個過程可以概括為：當磁通門式電流傳感器工作時，激勵線圈中加載一固定頻率
、固(gu)定(ding)波(bo)形(xing)的(de)交(jiao)變(bian)電(dian)流(liu)進(jin)行(xing)激(ji)勵(li)
，使(shi)磁(ci)芯(xin)往(wang)複(fu)磁(ci)化(hua)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)。在(zai)不(bu)存(cun)在(zai)外(wai)在(zai)電(dian)流(liu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)被(bei)測(ce)磁(ci)場(chang)時(shi)，則(ze)檢(jian)測(ce)線(xian)圈(quan)輸(shu)出(chu)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢(shi)隻(zhi)含(han)有(you)激(ji)勵(li)波(bo)形(xing)的(de)奇(qi)次(ci)諧(xie)波(bo)，波(bo)形(xing)正(zheng)負(fu)上(shang)下(xia)對(dui)稱(cheng)。當(dang)存(cun)在(zai)直(zhi)流(liu)外(wai)在(zai)被(bei)測(ce)磁(ci)場(chang)時(shi)，則(ze)磁(ci)芯(xin)中(zhong)同(tong)時(shi)存(cun)在(zai)直(zhi)流(liu)磁(ci)場(chang)

　　和(he)激(ji)勵(li)交(jiao)變(bian)磁(ci)場(chang)，直(zhi)流(liu)被(bei)測(ce)磁(ci)場(chang)在(zai)前(qian)半(ban)周(zhou)期(qi)內(nei)促(cu)使(shi)激(ji)勵(li)場(chang)使(shi)磁(ci)芯(xin)提(ti)前(qian)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)
，而(er)在(zai)另(ling)外(wai)半(ban)個(ge)周(zhou)期(qi)內(nei)使(shi)磁(ci)芯(xin)延(yan)遲(chi)飽(bao)和(he)。因(yin)此(ci)，造(zao)成(cheng)激(ji)勵(li)周(zhou)期(qi)內(nei)正(zheng)負(fu)半(ban)周(zhou)不(bu)對(dui)稱(cheng)，從(cong)而(er)使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)曲(qu)線(xian)中(zhong)出(chu)現(xian)振(zhen)幅(fu)差(cha)。該(gai)振(zhen)幅(fu)差(cha)與(yu)被(bei)測(ce)電(dian)流(liu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)成(cheng)正(zheng)比(bi)
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)振(zhen)幅(fu)差(cha)來(lai)檢(jian)測(ce)磁(ci)環(huan)中(zhong)所(suo)通(tong)過(guo)的(de)電(dian)流(liu)。