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)。