在日常的計量測試工作中，電流是一個(gè)相當重要的測量值。和使用采樣電阻產(chǎn)生壓降的方式測量電流相比，電流探頭只需把導線(xiàn)完全繞在探頭磁芯上就可以實(shí)現電流測試。這種方式不需要斷開(kāi)電源來(lái)連接，可以在不破壞導線(xiàn)的情況下測量流經(jīng)導線(xiàn)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試功率、相位等數據，這對于電氣設計來(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量電流磁場(chǎng)兩種類(lèi)型。

 

霍爾效應傳感器是一種根據磁場(chǎng)變化輸出電壓的換能器，其電流探頭一般是測量直流或低頻信號的。此類(lèi)電流探頭是利用補償原理實(shí)現測量的，測量范圍可借助于補償放大器, 通過(guò)改變轉移阻抗加以改變。

 

電流互感器類(lèi)型的電流探頭只能用于測量交流電流，常用于高頻測量?；ジ衅骱诵膬鹊慕涣麟娏髟诤诵膬犬a(chǎn)生磁場(chǎng)，然后在第二繞組電路中引出電流，并被饋送至測量?jì)x。第二繞組的感應電壓將與主要繞組電流成正比。電流卡環(huán)是將線(xiàn)圈繞組繞制在導磁率較高的磁性材料上, 當被測電流較大時(shí), 存在磁飽和問(wèn)題。為了進(jìn)行精確測量，需要偶爾對探頭進(jìn)行消磁，并在消磁后補償探頭上保留的任何直流偏移。

 

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

 

圖1 霍爾效應傳感器類(lèi)型

 

圖2 電流互感器類(lèi)型

 

圖3 混合霍爾效應傳感器和電流互感器類(lèi)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，可以測量直流/交流電流，測量模擬帶寬50MHz，測量精度可達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，主要用于測量馬達、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(guān)圖

 

ZCP0030-50電流探頭性能測試

 

ZCP0030-5電流探頭性能參數測試包括17項功能指標和1項性能指標，綜合精度、帶寬、上升時(shí)間、分辨率和噪聲等測試。測試結果如下表所示。

 

圖5 ZCP0030-50 測試結果表

 

1、直流精度測試

 

校準源輸出不同的被測電流值，使用六位半萬(wàn)用表讀取電流探頭的響應電壓值。從測試的數據可知，ZCP0030-50在量程范圍內的直流精度為±1%±1mV。

 

圖6 直流精度測試表

 

2、上升時(shí)間測試

 

信號發(fā)生器輸出上升時(shí)間5ns的方波，示波器測量經(jīng)過(guò)電流探頭后的上升波形時(shí)間。測試結果顯示為8.5ns，這個(gè)測試時(shí)間包括信號發(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)間利用以下公式計算。

 

圖7 ZCP0030-50上升時(shí)間

 

3、方波響應測試

 

方波響應主要用來(lái)測試電流探頭幅頻響應特性。電流探頭能夠完整的重現方波波形，不出現畸變，說(shuō)明探頭的幅頻響應平坦。

 

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

 

圖8 100kHz方波響應測試

 

圖9 1MHz方波響應測試

 

4、噪聲測試

 

噪聲是電流探頭的重要參數，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。使用示波器測試電流探頭的實(shí)際噪聲，測試結果峰峰值小于10mA，交流有效值小于1mArms。

 

圖10 電流探頭噪聲測試

 

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：連續電流，峰值電流。測試電流超過(guò)任何一個(gè)都會(huì )使電流探頭飽和并磁化探頭從而導致測量結果錯誤。

 

需要注意的是最大電流會(huì )隨著(zhù)頻率的增加而減小，連續測試超過(guò)對應頻率的最大電流會(huì )導致探頭損壞。我司ZCP0030-50電流探頭可測最大連續電流為30Arms，在測試帶寬50MHz處為2Arms。

 

圖9 測試頻率與最大額定電流關(guān)系

 

2、測試不連續電流

 

測試不連續電流時(shí)要留意電流探頭的安全測試最大時(shí)間，需考慮以下幾個(gè)因素：最大峰值電流、環(huán)境溫度、測試帶寬。注意：當測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(xiàn)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由殘留的直流磁場(chǎng)引起的失調電壓進(jìn)行補償。當沒(méi)有電流流過(guò)的導線(xiàn)嵌在鉗口中時(shí)，在大部分情況下，都可以進(jìn)行在線(xiàn)消磁。

 

4、提高測量靈敏度

 

使用電流探頭測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)行以下設置減少垂直噪聲：開(kāi)啟帶寬限制濾波器、設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導體來(lái)提高測量靈敏度。此時(shí)信號的強度將按照被測導體在探頭上纏繞的匝數倍增。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，此方法適合測量直流信號或小幅度的低頻交流信號。

 

總結

 

在計量測試、電子設計中，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)便地測量電流，正確、規范地使用電流探頭對于測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量。

 

 

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