罗氏线圈不能测量直流电流的原因

振动噪声抑制和电磁兼容控制都可以按照“源-路径-设备”的思路开展。从降低激励源或干扰源幅值、增加传递或耦合路径的阻尼、保护敏感设备三个方面下手，按照从易到难的原则，攻破各个山头。对激励源或干扰源进行频谱、功率谱等特征分析，需要采集源头信号。诸如电压、电流等信号相对幅值较大，相对比较容易采集; ，需要高精设备采集处理。在这样的思路下，接下来PRBTEK针对大家经常疑惑的“交直流电流采集区别”问题给大家分享：

在进行NVH激励源或电磁兼容干扰源分析时，我们经常使用“罗哥”罗氏线圈测量相交流电流信号，这源于罗氏线圈的显著优点：可直接套在被测导体上测量交流电流，对被测导体、尺寸无特殊要求;无需拆装原有电路结构;可进行较宽频率范围内的交流电流测量，具有较快的瞬间反应能力。查看产品用户手册和工程实际发现，可发现罗氏线圈并不能测量直流电流信号;其实不仅仅是直流信号，低频交流信号(<2Hz)罗氏线圈也因存在较大的衰减和相位延迟也无法准确测量。

有果必有因，“罗哥”罗氏线圈一套也不便宜，为什么这个功能无法实现呢?这篇文章就让我们扒一扒“罗哥”罗氏线圈的那些事。

电流传感器有多种分类方法：从电流类型上有直流与交流，大电流与微小电流，非脉冲电流和脉冲电流等;从反馈形式上有开环和闭环传感器。林林总总，万变不离其宗，本文先讲解电流测量最基础的法拉第电磁感应定律和霍尔效应，依据法拉第电磁感应定律可以生产交流钳形表，依据霍尔效应可以生产交直流钳形表;然后通过对比不同种类的钳形表，掌握理解不同电流测量方法的优缺点，给出“罗哥”不能测量直流电流的原因，对电流测量方法有个全面的认识。

1. 法拉第电磁感应定律

法拉第电磁感应定律的发现基于法拉第于1831年所作的实验。实验发现只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会有电流产生，这种现象称为电磁感应现象。法拉第伟大之处在于将电和磁联系在一起，揭示了它们之间的关系，把我们带入“电生磁、磁生电”的电磁世界。

在电磁感应现象里，既然闭合电路里有感应电流，那么这个电路中也必定有感应电动势。感应电动势又分为动生电动势和感生电动势两种：动生电动势是因为导体自身在磁场中做切割磁感线运动而产生的感应电动势，电机旋转时气隙磁场切割定子绕组，所以绕组两端存在感应电动势;感生电动势是因为穿过闭合线圈的磁场强度发生变化而产生的感应电动势，变压器就是利用感生电动势的产生，实现高压侧和低压侧之间的能量传输。

交流电流测量原理可以类比变压器，也是利用的感生电动势。理想情况下，忽略绕组电阻、绕组电容、漏磁通和铁芯非线性等因素的影响，高低压两侧电动势和和电流满足下图关系：

2. 霍尔效应

霍尔效应是由美国物理学家霍尔于1879年研究金属导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过半导体时，磁场会对导体中运动的电子产生垂直运动方向上的作用力(即洛伦兹力);在该力作用下载流子运动轨迹发生偏转，在垂直于电流和磁场的半导体两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。

上图中，带电电子在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的电荷堆积从而形成横向电场，最终效果是洛伦兹力和电场力相等，达到动态平衡，其中两侧电压差(电场强度)和磁感应强度成正比关系。

3. 交流钳形表

法拉第电磁感应定律利用“变化的电场产生变化的磁场、变化的磁场产生变化电场”原理，两侧电压和电流呈固定的比例关系。由于直流电流无法产生变化磁场，因而无法在二次侧产生感生电动势;因而，包括罗氏线圈在内的采用电磁式电流互感器制作的钳形表，只能测量交流电流，不能测量直流电流。

下面是利用法拉第电磁感应定律制造的钳表，将线圈套在被测交流电流上，则在二次侧可以获得一个与导体电流成比例的电流，进而通过调理、放大等处理，可直接显示数据或送至示波器显示处理。

4. 直流钳形表

霍尔效应实质是指磁场会对带电粒子产生作用力，由于不管直流还是交流只要有电流就会有磁场产生，因此利用该效应即可同时测量交流和直流。霍尔电流传感器按照反馈形式分为开环式和闭环式两种，两者基本原理类似，差别类似于电机转速开环和闭环控制，下面分别对其进行说明。

A.开环式霍尔电流传感器

开环式霍尔电流传感器又可称为直放式霍尔电流传感器或直检式霍尔电流传感器。开环式霍尔电流传感器的原理框图如下所示：

开环式霍尔电流传感器由磁芯、霍尔元件和调理显示三部分构成。

将霍尔元件放置于磁芯设计的开口气隙处，为便于显示，上图将该气隙画的很大。此时，若导线中流经电流i,由于磁芯磁导远大于空气磁导，磁力线被“吸引”到磁芯中去，也就会集聚到气隙处。

B.闭环式霍尔电流传感器

闭环式霍尔电流传感器也可称零磁通霍尔电流传感器、零磁通互感器、磁平衡式霍尔电流传感器等。闭环式霍尔电流传感器的原理框图如下所示：

如上图，闭环式霍尔电流传感器包括磁芯、霍尔元件、反馈线圈和调理显示三部分构成。通过与开环式对比，可发现闭环式多了反馈线圈绕组。调理显示电路处理霍尔元件的输出，然后生成补偿电流，补偿电流与原边电流在磁芯中产生的磁场等大反向，通过负反馈维持气隙处的磁场平衡。

理想情况下，气隙处维持零磁通，保持磁平衡。上述平衡过程是在非常短的时间内完成的，反应时间决定着该传感器能够测量的最高频率电流。

C.开环和闭环式霍尔电流传感器对比

通过上面的分析，我们可知闭环式霍尔电流传感器气隙处的磁场保持在零附近，变化幅度非常小，这两个特点对电流的测量十分有利。

上文只是讲解电流测试最基本原理，真正实施还有其它因素需要考虑。

首先，为与AD采样芯片匹配，电流原始信号需要调理放大;其次，变频输出电流含有丰富的PWM谐波信号，需要设计低通滤波回路;再次，电磁本身是“看不见、摸不着”的东西，需要考虑漏磁通和电磁兼容特性。

上面任何一个方面存在短板，滤波参数是否匹配、漏磁通是否严格控制、抗干扰能力强不强等，都会影响产品的最终性能。小小的传感器，也是国家工业4.0实力的缩影。

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审核编辑：汤梓红