電流檢測探頭工作原理及性能測量方法

馮桂山，區健昌，郭晉偉，楊婉，周闊

（北京泰派斯特電子技術有限公司，北京 100043）

引言

大部分電磁干擾信號都與導線或電纜中攜帶的干擾電流有關。這些線纜可以等效成環形天線和偶極子天線，起到接收和發射信號的作用。此外，電纜還能為傳導電磁干擾提供耦合途徑，從而成為傳導發射和輻射發射的重要影響因素[1-4]。

電磁兼容測量能夠對電磁干擾進行探測。其中，測量設備電纜上的輻射信號叫傳導發射測量；向設備電纜上施加一定強度的信號來考核設備的抗干擾能力叫傳導敏感度測量。無論是測量電纜上的干擾還是向電纜上注入干擾，都需要一種耦合裝置，這個裝置通常稱為電流探頭（或稱為電流卡鉗）。

電流探頭又可分為電流檢測探頭和電流注入探頭。電流檢測探頭用作傳導發射測量，即測量導線或電纜上的電磁干擾；電流注入探頭用作傳導敏感度測量，即向電纜上注入強干擾信號，考核設備的抗干擾能力，其基于的技術簡稱為BCI（Bulk Current Injection）技術。電流檢測探頭主要性能指標有：傳輸阻抗、最大電源電流、最大RF連續波電流、最大脈沖電流、探頭屏蔽性能、駐波、輸出負載阻抗、工作溫度、磁芯溫度等[5-7]。

本文研究電流檢測探頭。首先介紹其工作原理；其次分析電流檢測探頭對被測電路的影響；最后以傳輸阻抗、最大電源電流、最大RF連續波電流、探頭屏蔽性能這四種主要性能指標為例，介紹電流檢測探頭的性能測量方法。

1 電流檢測探頭工作原理

本章介紹電流探頭的工作原理、結構形式等，接著分析電流檢測探頭的等效原理、結構形式、等效電路、物理機理等。

1.1 電流探頭構成

電流探頭的工作原理和結構比較簡單，但要制作出高性能的電流探頭可不是那么容易，其性能與磁芯材料、結構、裝配工藝等有關，分布參數對高頻影響嚴重。電流檢測探頭要滿足寬的工作頻率范圍、高靈敏度、寬平坦度的頻率響應、較高的屏蔽性能、寬的溫度系數范圍和比較高的磁飽和點等要求。

電流探頭有三種結構形式：環形開口鉗式、環形固定窗口式和平面形（面電流探頭）。

環形開口鉗式電流探頭可以張開口，將被測導線/電纜卡住，構成閉合環路進行測量。

環形固定窗口式電流探頭一般用在特殊場合，如電流探頭不?；顒拥牡胤?。

平面形電流探頭是為測量金屬面上的電流而設計的面電流探頭。測量時，將其放在被測導體面上。它可以測量導彈、飛機、船舶、車輛等導體表面上的RF電流。在蒙皮面上移動電流探頭，能測出蒙皮面上耦合干擾信號電流的強度和電流的流向。

在電磁兼容測量中大量使用的是環形開口鉗式電流探頭。

電流探頭實質上是一個R F變壓器，它在一個高磁導率磁環上繞N 匝線圈作為RF變壓器的一級。當電流探頭被用作檢測導線/電纜上的干擾電流時，被測導線/電纜則是變壓器的初級，環上的線圈則是變壓器的次級；當電流探頭作為測量傳導敏感度的注入探頭時，環上的線圈則是變壓器的初級，被測導線/電纜則是變壓器的次級。電流探頭的工作頻率從幾十Hz至幾GHz。

1.2 電流檢測原理

1.2.1 等效原理與結構形式

圖1所示是電流檢測探頭等效原理圖。使用時，將探頭卡在電纜上，探頭與被測電纜不接觸，一般情況下探頭不會改變被測電路的正常工作。被測電纜上的信號在電流檢測探頭的線圈上感應出電流，在接收機的輸入阻抗（50 Ω）上產生壓降。感應電壓的大小正比于磁環的磁導率、環截面積、線圈的匝數以及被測電纜中的電流和頻率。用傳輸阻抗（或稱轉移阻抗）ZT來描述電流檢測探頭的特性。

圖1 電流檢測探頭等效原理圖

圖2 環形開口鉗式電流檢測探頭結構形式

為防止環境電磁場對被測信號的影響，電流檢測探頭需要有一定的屏蔽能力，在探頭外面要加法拉第屏蔽罩，以防止外界電磁干擾和靜電耦合的影響，同時減小初次級之間的寄生電容，提高電流檢測探頭的工作頻率。為了保證初次級之間的耦合，把被測電纜中干擾信號產生的磁場耦合到探頭的線圈中，但不能全部屏蔽，因此在屏蔽外殼內側要留有一定寬度的縫隙?？p隙的大小不但影響屏蔽性能，而且影響探頭線圈與被測電纜之間的耦合能力，還影響初次級漏感La、Lb，以致影響探頭的高頻性能。圖2所示是環形開口鉗式電流檢測探頭的結構形式。

1.2.2 等效電路

電流檢測探頭等效電路如圖3所示。其中，

La、Lb—初次級漏感；

Ra、Rb—初次級電阻；

Lm—勵磁電感；

Rm—磁芯損耗；

Rin—接收機內阻；

VL—探頭輸出電壓（接收機測量的電壓）；

1:n—探頭匝比。

圖3 電流檢測探頭等效電路

1.2.3 物理機理

可以把電流檢測探頭看成二端口網絡，其傳輸阻抗ZT就反映了被測電流與電流檢測探頭的輸出電壓VL之間的數量關系：

其中，

VL—探頭在負載上的輸出電壓（接收機測量的電壓）；

I—被測電纜上的電流；

ZT—傳輸阻抗。

一般地，次級電阻Rb、磁芯損耗Rm與接收機內阻Rin相比很小，可以忽略，因此式(1)化為

① 當頻率低時，ω(Lb+Lm)＜＜Rin，式(2)可化簡為

可見ZT與頻率f 成正比。這說明在低頻端，電流檢測探頭的傳輸阻抗隨頻率的增加而線性增加。

② 隨著頻率的增加，Rin＜＜ω(Lb+Lm)，式(2)可化簡為

可見ZT是恒定值，與頻率f無關。

③ 頻率繼續增加，則磁芯損耗Rm增加，當ωLb＞＞Rb且ωLb＞＞Rin時，則傳輸阻抗可以表示為

隨著頻率繼續增加，磁芯損耗Rm、漏感和繞線分布電容都增加，此時傳輸阻抗又要下降。電流檢測探頭典型傳輸阻抗曲線如圖4所示。

圖4 電流檢測探頭典型傳輸阻抗曲線

電感的分布電容起等效并聯電容的作用，會導致在某個頻率發生并聯諧振。探頭工作頻率的上限由其固有諧振頻率決定。電路諧振不可避免，為拓寬工作頻率范圍，應該設法提高諧振頻率，使其超過探頭的最高工作頻率。

探頭線圈諧振頻率與環路的勵磁電感、漏感Lb和寄生電容C等有關，即

其中，

f0—諧振頻率；

Lm—勵磁電感；

Lb—漏感；

C—寄生電容。

圖5所示為探頭線圈電感與分布電容產生的并聯諧振曲線隨頻率的變化特性，圖6所示為探頭線圈間的分布電容。當頻率逐漸增加時，插入損耗也逐漸增加；當頻率再增加達到某個值時，發生諧振，在諧振點形成一個拐點，而后插入損耗又逐漸減小。分布電容大小不同，其拐點的頻率也不同，分布電容越小，拐點頻率越高。可見小的分布電容能拓寬電流檢測探頭工作頻率范圍。

圖5 探頭線圈電感的插入損耗頻率特性

圖6 探頭線圈間的分布電容

2 電流檢測探頭對被測電路的影響

在使用電流檢測探頭時，應該注意探頭對被測電路可能產生的影響。

（1）反射阻抗的影響。電流檢測探頭卡在被測電纜上，對被測電纜可能有影響。電流檢測探頭的次級阻抗會反射到初級，相當于在被測電纜中插入一個阻抗，插入的阻抗越大，對被測電路的影響越大。為減小該反射阻抗對被測電路的影響，應該減小漏感La、Lb及分布電容，使反射阻抗小于電路源阻抗和被測電路的負載阻抗之和。

（2）磁芯飽和的影響。當電流檢測探頭初次級線圈中流過很強的DC或AC時，磁芯能產生飽和，使磁芯磁導率急劇降低，電感失去作用，輕者探頭的感應電壓下降，引起測量誤差，嚴重了甚至燒毀測量設備，引起嚴重事故。

（3）電源頻率調制特性的影響。被測電纜中一般有比較大的50 Hz或400 Hz工作電源電流信號，同時電纜中還有被測設備產生的RF干擾信號，這兩個信號能產生幅度調制，被調制的RF干擾信號的振幅能隨著50 Hz或400 Hz調制信號的幅度變化而變化，這將引起測量誤差。同時，很強的50 Hz或400 Hz電源電流信號會在探頭上產生很大的電壓，這也可能燒毀測量設備輸入電路。

對強電源電流對電流檢測探頭產生的影響進行實驗分析。圖7是實驗框圖，圖8～圖10是用SDS8102示波器測量的電流檢測探頭接收信號隨電源電流增加的時域波形和對應的頻域波形。調整可調電源變壓器，使50 Hz電源電流逐漸增加（用鉗式電流表監視），電流檢測探頭的磁芯逐漸趨于飽和，在示波器上可以看到正弦信號波形逐漸失真。用示波器的FFT頻譜功能測量其頻譜，可見隨著50 Hz電源電流的增加，各次諧波幅度也升高。

3 電流檢測探頭性能測量方法

電流檢測探頭主要性能指標有[5-7]：1）傳輸阻抗；2）最大電源電流；3）最大RF連續波電流；4）最大脈沖電流；5）探頭屏蔽性能；6）駐波；7）輸出負載阻抗；8）工作溫度；9）磁芯溫度；10）其他。

圖7 電源電流對電流檢測探頭的影響實驗框圖

圖8 電源電流為10 A時電流檢測探頭測量的正弦波及頻譜

圖9 電源電流為20 A時電流檢測探頭測量的正弦波及頻譜

圖10 電源電流為50 A時電流檢測探頭測量的正弦波及頻譜

為了安全正確地使用電流檢測探頭，使用者必須選用符合要求的探頭。對于電流檢測探頭的上述主要性能指標，除了傳輸阻抗ZT有測量方法外，其他性能指標的測量方法還尚無有關資料，國外的電流檢測探頭說明書上也只有指標，沒有測量方法。為了更深入地了解我們使用的電流檢測探頭的主要性能指標，可以用下面幾種方法進行測量。這些測量方法簡單、容易實現。

3.1 傳輸阻抗測量方法

傳輸阻抗ZT的校準思路：把被校電流檢測探頭置于專用的校準裝置中。校準裝置是一段具有50Ω特性的變形同軸線。將被校電流檢測探頭卡到校準裝置的中心導體上。

電流檢測探頭傳輸阻抗校準原理如圖11 所示。把電流檢測探頭看成二端網絡，即

在圖11中，

V1—負載電阻R上電壓；

V2—電流檢測探頭在5 0 Ω 頻譜儀上接收的電壓；

I—被測電纜中的電流；

Rin—源內阻。

因為

所以

式(10)用dB表示為

傳輸阻抗ZT的校準方法：

（1）按圖12（a），將被校電流檢測探頭卡到校準裝置的中心導體上，并端接50Ω匹配負載，校準裝置一端接信號源，另一端接50Ω頻譜儀；

圖11 電流檢測探頭傳輸阻抗校準原理

（2）調整信號源的頻率和幅度，使接收機能夠測得一個合適的電壓值V1；

（3）保持信號源的頻率和幅度不變，將接收機和50 Ω負載交換位置，如圖12（b）所示，測得電流卡鉗上的電壓值V2；

（4）按式(11)計算ZT；

（5）改變信號源的頻率，重復上面步驟，即可測出電流卡鉗不同頻率的傳輸阻抗并校準。

3.2 最大電源電流測量方法

為了使電流檢測探頭不發生飽和，保證測量數據準確，需要規定容許被測電纜流過的最大電源電流。

測量設備：

（1）電能質量分析儀：HIOKI 3196；

（2）頻譜儀：RIGOL DSA 815；

（3）信號源：RIGOL DSG 815；

（4）可調變壓器、降壓變壓器。測量方法：

（1）如圖13所示連接測量設備，在變壓器輸出線圈上加50 Hz信號，通過高通濾波器耦合一個RF信號；

（2）先調整變壓器，使輸出為零，再調整信號源頻率為1 MHz、輸出幅度為0 dBm，用頻譜儀測量電流檢測探頭上耦合的RF信號幅度；

圖12 電流檢測探頭校準框圖

圖13 最大電源電流測量框圖

（3）調整可調變壓器，使電源電流增加，隨著電源電流的增加，電流檢測探頭磁芯逐漸趨于飽和，在頻譜儀上可以看到因50 Hz電源調制，RF連續波信號譜線幅度上下抖動；當譜線正好不抖動的時候，將電源電流作為不過載電源電流，當譜線偏離不飽和譜線 10%時（log0.1=-1 dB）時，則認為磁芯發生飽和[8]，此電流即為該電流檢測探頭容許的最大電源電流。

（4）改變信號源的頻率，重復步驟（2）和（3）。

測量結果如表1所示，采用的探頭型號是TPCP-3001。

表1 最大電源電流測量結果

3.3 最大RF連續波電流測量方法

為了使電流檢測探頭不發生飽和，需要規定容許被測電纜流過的最大RF連續波電流。

測量設備：

（1）頻譜儀：RIGOL DSA 815；

（2）信號源：RIGOL DSG 815；

（3）直流電源：HY171792-505；

（4）帶耦合電容的三通。

根據磁芯飽和的原理，AC和DC都能使磁芯飽和，所以對磁芯線圈加兩種信號：DC和RF。DC信號使磁芯產生飽和，RF信號則用作測量飽和時的電流幅度降低程度。當譜線偏離不飽和譜線10%時，則認為磁芯發生飽和，此時的電流即為電流檢測探頭容許被測電纜流過的最大RF連續波信號。

測量方法：

（1）如圖14所示連接測量設備；

（2）先調整DC電源輸出為零，再調整信號源，把信號譜線調到合適的幅度，并保持幅度不變；

圖14 最大RF連續波電流測量框圖

（3）DC電源用穩壓狀態，增加DC電源輸出電流，使譜線下降1 dB，記錄此時DC電源電流指示值；

（4）改變信號源的頻率，重復步驟（2）和（3）。

測量結果如表2所示。

表2 RF最大連續波電流測量結果

3.4 探頭屏蔽性能測量方法

為了防止環境電磁場對被測信號的影響，電流檢測探頭需要有一定的屏蔽能力。

測量設備：

（1）頻譜儀：RIGOL DSA 815；

（2）信號源：RIGOL DSG815。

測量方法：

（1）如圖15所示，連接測量設備；

圖15 探頭屏蔽性能測量方法

（2）調整信號源，輸出一個RF信號（10 MHz，10dBm），按圖15（a）所示在頻譜儀上測量出信號幅值V1；

（3）不改變信號源的輸出頻率和幅度，把電流檢測探頭從被測線上取下并扣好，置于離被測線10 cm處，調整其位置和姿態，按圖15（b）所示在頻譜儀上測量出最大信號值V2，則屏蔽系數為V1- V2。

（4）改變信號源的頻率，重復步驟（2）和（3）。

4 結束語

電流探頭，尤其是電流檢測探頭，是電磁兼容測量傳導干擾的檢測設備。為了保證測量的精度和測量設備的安全，測量之前必須要了解被測系統的基本工作情況及探頭的性能指標。通過本文介紹的各種測量方法，可對電流檢測探頭的部分主要性能指標進行測量，做到心中有數。本文提出的測量方法還未覆蓋全部性能指標，有待進一步研究。