“電氣測試技術(shù)”課程的特點及電流檢測實例

陳志輝

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016)

“電氣測試技術(shù)”課程是許多高校電氣專業(yè)課，能使學生掌握電氣測試的方法，熟悉常用傳感器的工作原理、選型以及測試數(shù)據(jù)的處理等。對于傳感器選型、后級信號調(diào)理電路的設(shè)計等有很大益處。

“電氣測試技術(shù)”課程的主要教學內(nèi)容分為四部分:測量的基本概念;測量誤差及數(shù)據(jù)處理;非電量的電測技術(shù)以及數(shù)字化測量技術(shù)［1-3］。

1 課程特點

1)理論性強

“電氣測試技術(shù)”課程有的內(nèi)容理論性比較強。測量的基本概念部分，包括測量的定義、測量儀表結(jié)構(gòu)和輸入輸出特性等內(nèi)容的，定義多，理論性都比較強。

課程是有關(guān)測量誤差的理論部分，涉及到許多誤差分析概念。其中包括:①誤差的種類、隨機誤差、粗大誤差、系統(tǒng)誤差等概念;②三種誤差的計算、處理方法:隨機誤差估算方法、粗大誤差的判斷準則、系統(tǒng)誤差及其減小的方法;③測量數(shù)據(jù)的處理，還涉及到誤差的合成與分配以及最佳測量條件的確定等，該部分內(nèi)容需要用到許多數(shù)學知識。

課程中涉及到的傳感器，涉及許多新的概念，其理論性也比較強。如光電式傳感器中需介紹光電材料、外光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)等。

2)實踐性強

本課程安排了學生自己動手的實驗課，其實驗內(nèi)容涉及到電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器等。而且課程的內(nèi)容與實際結(jié)合較為緊密，許多傳感器在日常生活和專業(yè)領(lǐng)域測量中應(yīng)用廣泛。如頻率、時間和相位的測量方法可以應(yīng)用在電動機、發(fā)電機的轉(zhuǎn)速測量以及逆變器輸出交流電壓的頻率測量。

3)綜合性強

本課程還要應(yīng)用到許多基礎(chǔ)知識，在電阻傳感器中會應(yīng)用到電橋測電阻的知識，霍爾傳感器的工作原理要應(yīng)用到電磁場中洛侖茲力的知識，模擬電子技術(shù)中的運算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。

2 電流測量的實例

2.1 采用電流表測量電流

用電流表測電流的電路圖如圖1所示，圖中RA是電流表的內(nèi)阻，置于未串入電流表之前，回路電流為I0;串入電流表后，流過電流表的電流變成IA，原電路的輸出電阻用R0來表示。采用這種方法測量電流，需要注意方法誤差對測量結(jié)果的影響。方法誤差會導致測量結(jié)果里面的系統(tǒng)誤差，而系統(tǒng)誤差必須要限制在一定范圍內(nèi)，測量結(jié)果才有效。采用精度等級s，量程為Im的電流表，其單次測量的最大誤差為

接入電流表后，IA與IB的關(guān)系為

由于串入電流表引起電流變化，帶來的誤差為

總的絕對誤差為

我們在選擇電流表時，盡量要使得被測電流在滿量程的2/3附近，如果要使得由于串入電流表引起的系統(tǒng)誤差可以忽略的話，需要滿足:(RA/R0+RA)?s%，即 RA/R0?s%。

2.2 間接測量電流

通過串聯(lián)電阻上的電壓測電流，已應(yīng)用在無刷直流電動機控制器的電流限制保護電路中。在一些發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器中，也采用這種方法得到勵磁電流，實現(xiàn)勵磁電流限制與勵磁電流負反饋等功能。采用回路串電阻的方法測量勵磁電流，其檢測電路如圖2所示。

圖1 電流表測電流

圖2 由電阻電壓測電流

此時勵磁電流可以認為是通過測量電阻Rf上的電壓獲得，即 if=uf/Rf。

這種通過串聯(lián)電阻測其電壓得到電流的方法，屬于間接測量方法。在分析其檢測誤差時，需要用到誤差合成的知識。假設(shè)電阻Rf的相對誤差為:±rRf，而后端放大調(diào)理電路的誤差為:±ruf。由相對誤差傳遞公式可知

因此，為了獲得較好的檢測效果，在采用高精密度電阻的同時，也要注意后級檢測電路的檢測精度。

2.3 通過電流霍爾傳感器測量電流

霍爾傳感器可以實現(xiàn)原、副邊的電隔離。當霍爾元件置于與之垂直的磁場B中，(如圖3)所示。當有電流I流過霍爾片時，在垂直于電流與磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH=KHIB。

圖3 霍爾效應(yīng)原理圖

通?；魻栯娏鱾鞲衅骺梢苑譃橹睖y式霍爾電流傳感器和磁平衡霍爾電流傳感器［4，5］。

直測式霍爾電流傳感器如圖4所示。原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通量聚集在磁路中，使霍爾片所處的B正比于Ip，并由電流傳感器中的恒流源向霍爾片提供Ic電流，由霍爾片檢測出霍爾電壓信號，經(jīng)過放大器放大，該電壓信號VM就反映了原邊電流的大小。這種電流傳感器測量電流的最高頻率為50kHz，反應(yīng)時間 ＜7μs，線性度 ＜1%，而且電源耗電較小，最大量程可達10000A。

圖4 直測式霍爾電流傳感器

磁平衡霍爾電流傳感器如圖5所示。原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的副邊電流Is通過副邊線圈所產(chǎn)生的磁通量相平衡;副邊電流Is精確地反映原邊電流。當該電流流過電阻RM，在RM上產(chǎn)生的電壓VM正比于原邊電流Ip。這種電流傳感器的最高頻率為可達150kHz，反應(yīng)時間＜1μs，線性度＜0.1%，但該電流傳感器的電源耗電大，最大量程通常不超過1000A。

3 結(jié)語

本文對“電氣測試技術(shù)”課程的特點進行了分析。引入了實現(xiàn)電流檢測的3個實例。其中涉及到本課程中的直接測量、間接測量、直讀式測量和零位式測量等測量方法，還有誤差合成以及霍爾傳感器等多個知識點，在教學中通過電流實例的講解，加深了學生對相關(guān)概念和傳感器原理的理解。

圖5 磁平衡霍爾電流傳感器

［1］ 林德杰等，電氣測試技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 李光茂.李躍.程養(yǎng)春等.一種基于光纖傳輸?shù)膶掝l帶沖擊大電流測量系統(tǒng)的研究［J］.西安:高壓電器，2010，46(11):21-25

［3］ 李俊.彭中華.直流大電流測量技術(shù)研究［J］.上海:儀表技術(shù)，2010.6:27-29

［4］ LEM Components.HAIS-HXS and HTFS Open Loop ASIC based Current Transducers from 5 to 800 ARMS nominal with reference access.Made to measure.Technical Information.CH 24108E.

［5］ LEM Components.Closed Loop Transducers with small footprint up to 100 A nominal.Technical Information.CH 99102.