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率、易飽和材料制成的鐵芯，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(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線圈感應出反應外界磁場的信號。

　　因為磁通門傳感器是利用被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的。這種物理現(xiàn)象對被測環(huán)境磁場來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應的磁通量即被調制，并產(chǎn)生感應電動勢。利用這種現(xiàn)象來測量電流所產(chǎn)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系統(tǒng)構成

　　磁通門電流傳感器系統(tǒng)構成框圖

　　電流傳感器的系統(tǒng)框圖所示。電流所產(chǎn)生的的磁場在磁通門探頭內經(jīng)激勵信號調制后，通過峰值檢波和積分濾波電路產(chǎn)生有用的電壓信號，然后經(jīng)過反饋，使電流傳感器工作在零磁通狀態(tài)。

　　圖1：磁通門繞組結構圖

　　下面本文以結構簡單并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(huán)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(huán)中間穿過。

　　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，然后下降至c點為最大負磁化力，再至d點磁化力為零，最后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(huán)的B—H曲線

　　當我們在磁環(huán)導線中加入電流分量后，電流所產(chǎn)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(huán)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：

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　　式中：

　　H 0——為導線電流在環(huán)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：

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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——為磁芯物質的微分磁導率。

　　根據(jù)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：

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　　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(jù)傅里葉級數(shù)分析，它只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：

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　　這時，B（t）成為上下不對稱的平頂波，根據(jù)傅里葉級數(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）應含有相似的波形成分，因此，可以根據(jù)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(chǎn)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、固定波形的交變電流進行激勵，使磁芯往復磁化達到飽和。在不存在外在電流所產(chǎn)生的被測磁場時，則檢測線圈輸出的感應電動勢只含有激勵波形的奇次諧波，波形正負上下對稱。當存在直流外在被測磁場時，則磁芯中同時存在直流磁場

　　和激勵交變磁場，直流被測磁場在前半周期內促使激勵場使磁芯提前達到飽和，而在另外半個周期內使磁芯延遲飽和。因此，造成激勵周期內正負半周不對稱，從而使輸出電壓曲線中出現(xiàn)振幅差。該振幅差與被測電流所產(chǎn)生的磁場成正比，因此可以利用振幅差來檢測磁環(huán)中所通過的電流。