磁通门电流传感器工作原理图文详解

　　磁通门电流传感器是一种是以磁通门技术为基本原理，加上闭环控制在电子电路中的应用，磁通门传感器具有分辨力高、测量弱磁场范围宽、可靠、能够直接测量磁场的分量和适于在速运动系统中使用等特点。下面本文就对磁通门电流传感器的工作原理及构成等进行详细介绍。

　　磁通门电流传感器工作原理

　　磁通门传感器的工作原理是基于铁芯材料的非线性磁化特性，其敏感元件为高磁导率、易饱和材料制成的铁芯，有两个绕组围绕该铁芯：一个是激励线圈，另一个是信号线圈。在交变激励信号fl的磁化作用下，铁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和的变化，从而使围绕在铁芯上的感应线圈感应出反应外界磁场的信号。

　　因为磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。

　　

　　磁通门电流传感器原理图

　　二、磁通门电流传感器的构成

　下图是磁通门电流传感器的系统构成

　　

　　磁通门电流传感器系统构成框图

 

　　电流传感器的系统框图所示。电流所产生的的磁场在磁通门探头内经激励信号调制后，通过峰值检波和积分滤波电路产生有用的电压信号，然后经过反馈，使电流传感器工作在零磁通状态。

 

　　

　　图1：磁通门绕组结构图

　　下面本文以结构简单并且应用较广泛的一种单绕组磁通门进行介绍。如图1所示：环形磁芯上绕有线圈，此绕组即作为激励绕组又作为测量绕组，所测电流从磁环中间穿过。

　　

　　图2：普通磁环B—H曲线

　　一般磁性材料都有S形状曲线的特性，称之为磁滞回路（hysteresis loop），如图2所示。此磁滞回路曲线建立在B—H的坐标轴上，为磁性材料遭受完全磁化与非磁化周期，图示为典型磁滞曲线的铁心，如果曲线由a点开始，此点表示最大正磁化力，至b点磁化力为零，然后下降至c点为最大负磁化力，再至d点磁化力为零，最后返回最大正磁化力的a点，此即为整个磁性周期。高导磁率、低矫顽力磁芯的磁滞回线如图3所示。

　　

　　图3：高u磁环的B—H曲线

　　当我们在磁环导线中加入电流分量后，电流所产生的磁场会使原本对称的B-H磁滞回线会改变中心线变成如图4所示形状。

　　

　　图4：加入直流的高u磁环B—H曲线

　　假设激励磁场强度为：Hmcosωt，就能得到磁通门磁芯上的总磁场强度为：

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　　式中：

　　H 0——为导线电流在环形磁芯上的磁场强度；

　　H m——为激励磁场强度幅值；

　　ω——为激励场角频率。

　　则线圈中的感应电动势：

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　　式中：

　　N——为绕组线圈匝数；

　　S——为环形磁芯的截面积；

　　uTd——为磁芯物质的微分磁导率。

　　根据磁饱和特性，当H0 =0时，H（t）= Hm cosωt，在磁饱和作用下磁感应强度为：

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　　式中：Ba为磁化曲线饱和段延长线在B 轴上的截距，显然，B（t）是对时间轴上下对称的平顶波，根据傅里叶级数分析，它只含奇次谐波不含偶次谐波。

　　当外磁场H0≠0时，H（t）= H0+Hm cosωt，B（t）的表达式为：

　　

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　　这时，B（t）成为上下不对称的平顶波，根据傅里叶级数分析可知，它不仅含有奇次谐波还含有偶次谐波。而由式2可知，E（t）和B（t）应含有相似的波形成分，因此，可以根据E（t）在激励周期内的振幅的上下不对称来检测外电流所产生的磁场B0，从而达到测量电流的目的。

　　整个过程可以概括为：当磁通门式电流传感器工作时，激励线圈中加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励，使磁芯往复磁化达到饱和。在不存在外在电流所产生的被测磁场时，则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称。当存在直流外在被测磁场时，则磁芯中同时存在直流磁场

　　和激励交变磁场，直流被测磁场在前半周期内促使激励场使磁芯提前达到饱和，而在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因此，造成激励周期内正负半周不对称，从而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅差与被测电流所产生的磁场成正比，因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流。