“電氣測試技術”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”課程是許多高校電氣專業課，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、選型以及測試數據的處理等。對于傳感器選型、后級信號調理電路的設計等有很大益處。

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

1 課程特點

1)理論性強

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

課程是有關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、系統誤差及其減小的方法;③測量數據的處理，還涉及到誤差的合成與分配以及最佳測量條件的確定等，該部分內容需要用到許多數學知識。

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、外光電效應和光生伏特效應等。

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。而且課程的內容與實際結合較為緊密，許多傳感器在日常生活和專業領域測量中應用廣泛。如頻率、時間和相位的測量方法可以應用在電動機、發電機的轉速測量以及逆變器輸出交流電壓的頻率測量。

3)綜合性強

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

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果的影響。方法誤差會導致測量結果里面的系統誤差，而系統誤差必須要限制在一定范圍內，測量結果才有效。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

通過串聯電阻上的電壓測電流，已應用在無刷直流電動機控制器的電流限制保護電路中。在一些發電機電壓調節器中，也采用這種方法得到勵磁電流，實現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。假設電阻Rf的相對誤差為:±rRf，而后端放大調理電路的誤差為:±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生電動勢UH=KHIB。

圖3 霍爾效應原理圖

通常霍爾電流傳感器可以分為直測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產生的磁通量與霍爾電壓經放大產生的副邊電流Is通過副邊線圈所產生的磁通量相平衡;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 結語

本文對“電氣測試技術”課程的特點進行了分析。引入了實現電流檢測的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［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［2］ 李光茂.李躍.程養春等.一種基于光纖傳輸的寬頻帶沖擊大電流測量系統的研究［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研究［J］.上海:儀表技術，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.