在日常的計(jì)量測(cè)試工作中，電流是一個(gè)相當(dāng)重要的測(cè)量值。和使用采樣電阻產(chǎn)生壓降的方式測(cè)量電流相比，電流探頭只需把導(dǎo)線完全繞在探頭磁芯上就可以實(shí)現(xiàn)電流測(cè)試。這種方式不需要斷開(kāi)電源來(lái)連接，可以在不破壞導(dǎo)線的情況下測(cè)量流經(jīng)導(dǎo)線的電流，使用十分便捷。此外，電流探頭與電壓探頭配合使用能夠測(cè)試功率、相位等數(shù)據(jù)，這對(duì)于電氣設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常有意義的。

 

電流探頭的原理

 

常用電流探頭有霍爾傳感器和測(cè)量電流磁場(chǎng)兩種類型。

 

霍爾效應(yīng)傳感器是一種根據(jù)磁場(chǎng)變化輸出電壓的換能器，其電流探頭一般是測(cè)量直流或低頻信號(hào)的。此類電流探頭是利用補(bǔ)償原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，測(cè)量范圍可借助于補(bǔ)償放大器, 通過(guò)改變轉(zhuǎn)移阻抗加以改變。

 

電流互感器類型的電流探頭只能用于測(cè)量交流電流，常用于高頻測(cè)量。互感器核心內(nèi)的交流電流在核心內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，然后在第二繞組電路中引出電流，并被饋送至測(cè)量?jī)x。第二繞組的感應(yīng)電壓將與主要繞組電流成正比。電流卡環(huán)是將線圈繞組繞制在導(dǎo)磁率較高的磁性材料上, 當(dāng)被測(cè)電流較大時(shí), 存在磁飽和問(wèn)題。為了進(jìn)行精確測(cè)量，需要偶爾對(duì)探頭進(jìn)行消磁，并在消磁后補(bǔ)償探頭上保留的任何直流偏移。

 

現(xiàn)在常見(jiàn)的技術(shù)是混合交流/直流電流探頭，在一個(gè)探頭內(nèi)整合了用于測(cè)量直流和低頻的霍爾效應(yīng)傳感器元件以及測(cè)量交流的電流互感器。

 

圖1 霍爾效應(yīng)傳感器類型

 

圖2 電流互感器類型

 

圖3 混合霍爾效應(yīng)傳感器和電流互感器類型

 

ZCP0030-50電流探頭

 

我司研發(fā)的ZCP0030-50電流探頭是混合交流/直流型，可以測(cè)量直流/交流電流，測(cè)量模擬帶寬50MHz，測(cè)量精度可達(dá)1%。這款探頭有30A和5A兩個(gè)量程，電流傳輸比分別為 0.1V/A 和 1V/A，主要用于測(cè)量馬達(dá)、開(kāi)關(guān)電源、逆變器、控制器、傳感器、放大器的瞬時(shí)電流等。

 

圖4 ZCP0030-50外觀圖

 

ZCP0030-50電流探頭性能測(cè)試

 

ZCP0030-5電流探頭性能參數(shù)測(cè)試包括17項(xiàng)功能指標(biāo)和1項(xiàng)性能指標(biāo)，綜合精度、帶寬、上升時(shí)間、分辨率和噪聲等測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下表所示。

 

圖5 ZCP0030-50 測(cè)試結(jié)果表

 

1、直流精度測(cè)試

 

校準(zhǔn)源輸出不同的被測(cè)電流值，使用六位半萬(wàn)用表讀取電流探頭的響應(yīng)電壓值。從測(cè)試的數(shù)據(jù)可知，ZCP0030-50在量程范圍內(nèi)的直流精度為±1%±1mV。

 

圖6 直流精度測(cè)試表

 

2、上升時(shí)間測(cè)試

 

信號(hào)發(fā)生器輸出上升時(shí)間5ns的方波，示波器測(cè)量經(jīng)過(guò)電流探頭后的上升波形時(shí)間。測(cè)試結(jié)果顯示為8.5ns，這個(gè)測(cè)試時(shí)間包括信號(hào)發(fā)生器本身的上升時(shí)間和示波器探頭的上升時(shí)間。電流探頭實(shí)際的上升時(shí)間利用以下公式計(jì)算。

 

圖7 ZCP0030-50上升時(shí)間

 

3、方波響應(yīng)測(cè)試

 

方波響應(yīng)主要用來(lái)測(cè)試電流探頭幅頻響應(yīng)特性。電流探頭能夠完整的重現(xiàn)方波波形，不出現(xiàn)畸變，說(shuō)明探頭的幅頻響應(yīng)平坦。

 

信號(hào)發(fā)生器輸出電流峰峰值100mA，頻率分別100KHz、1MHz的方波，示波器顯示相對(duì)應(yīng)的方波波形。從圖中可知，在測(cè)試1MHz的電流方波時(shí)，探頭的整體方波響應(yīng)的波形基本上沒(méi)有畸變，波形比較平坦，沒(méi)有發(fā)生傾斜。

 

圖8 100kHz方波響應(yīng)測(cè)試

 

圖9 1MHz方波響應(yīng)測(cè)試

 

4、噪聲測(cè)試

 

噪聲是電流探頭的重要參數(shù)，噪聲的大小直接影響到探頭的分辨率，噪聲越小，分辨率越高。使用示波器測(cè)試電流探頭的實(shí)際噪聲，測(cè)試結(jié)果峰峰值小于10mA，交流有效值小于1mArms。

 

圖10 電流探頭噪聲測(cè)試

 

正確使用電流探頭

 

1、電流探頭最大量程
 

電流探頭有兩個(gè)最大額定電流：連續(xù)電流，峰值電流。測(cè)試電流超過(guò)任何一個(gè)都會(huì)使電流探頭飽和并磁化探頭從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤。

 

需要注意的是最大電流會(huì)隨著頻率的增加而減小，連續(xù)測(cè)試超過(guò)對(duì)應(yīng)頻率的最大電流會(huì)導(dǎo)致探頭損壞。我司ZCP0030-50電流探頭可測(cè)最大連續(xù)電流為30Arms，在測(cè)試帶寬50MHz處為2Arms。

 

圖9 測(cè)試頻率與最大額定電流關(guān)系

 

2、測(cè)試不連續(xù)電流

 

測(cè)試不連續(xù)電流時(shí)要留意電流探頭的安全測(cè)試最大時(shí)間，需考慮以下幾個(gè)因素：最大峰值電流、環(huán)境溫度、測(cè)試帶寬。注意：當(dāng)測(cè)試電流大小等于峰值電流或者接近峰值電流時(shí)探頭的頭部會(huì)發(fā)熱。

 

3、探頭進(jìn)行在線消磁

 

由于電流互感器存在磁飽和問(wèn)題，探頭消磁可以有效地對(duì)由殘留的直流磁場(chǎng)引起的失調(diào)電壓進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)的導(dǎo)線嵌在鉗口中時(shí)，在大部分情況下，都可以進(jìn)行在線消磁。

 

4、提高測(cè)量靈敏度

 

使用電流探頭測(cè)試小電流的精度與示波器垂直噪聲大小有關(guān)。示波器可以進(jìn)行以下設(shè)置減少垂直噪聲：開(kāi)啟帶寬限制濾波器、設(shè)置高分辨率采集模式或者平均模式。

 

此外，通過(guò)在探頭上纏繞多匝被測(cè)導(dǎo)體來(lái)提高測(cè)量靈敏度。此時(shí)信號(hào)的強(qiáng)度將按照被測(cè)導(dǎo)體在探頭上纏繞的匝數(shù)倍增。由于多纏繞幾圈會(huì)增加探頭的插入阻抗，探頭的帶寬也會(huì)降低，此方法適合測(cè)量直流信號(hào)或小幅度的低頻交流信號(hào)。

 

總結(jié)

 

在計(jì)量測(cè)試、電子設(shè)計(jì)中，電流探頭的作用是其他探頭無(wú)法代替的。使用電流探頭和示波器可以非常簡(jiǎn)便地測(cè)量電流，正確、規(guī)范地使用電流探頭對(duì)于測(cè)量精度是十分重要的，此外示波器的垂直噪聲也會(huì)妨礙進(jìn)行精確的低電平電流測(cè)量。

 

 

推薦閱讀：