【導(dǎo)讀】電流的準(zhǔn)確測量對測試結(jié)果至關(guān)重要，但想要準(zhǔn)確測量電流就需要選用合適的電流探頭與正確的測試方法。本文跟您說說電流測量那些事兒，并帶您了解ZLG致遠電子的測試方案。
在日常的計量測試工作中，電流是一個相當(dāng)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(dǎo)線完全繞在探頭磁芯上就可以實現(xiàn)電流測試。這種方式不需要斷開電源來連接，可以在不破壞導(dǎo)線的情況下測量流經(jīng)導(dǎo)線的電流，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(shù)據(jù)，這對于電氣設(shè)計來說是非常有意義的。
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兩種類型。
霍爾效應(yīng)傳感器是一種根據(jù)磁場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。此類電流探頭是利用補償原理實現(xiàn)測量的，測量范圍可借助于補償放大器, 通過改變轉(zhuǎn)移阻抗加以改變。
電流互感器類型的電流探頭只能用于測量交流電流，常用于高頻測量。互感器核心內(nèi)的交流電流在核心內(nèi)產(chǎn)生磁場，然后在第二繞組電路中引出電流，并被饋送至測量儀。第二繞組的感應(yīng)電壓將與主要繞組電流成正比。電流卡環(huán)是將線圈繞組繞制在導(dǎo)磁率較高的磁性材料上, 當(dāng)被測電流較大時, 存在磁飽和問題。為了進行精確測量，需要偶爾對探頭進行消磁，并在消磁后補償探頭上保留的任何直流偏移。
現(xiàn)在常見的技術(shù)是混合交流/直流電流探頭，在一個探頭內(nèi)整合了用于測量直流和低頻的霍爾效應(yīng)傳感器元件以及測量交流的電流互感器。
圖1 霍爾效應(yīng)傳感器類型
圖2 電流互感器類型
圖3 混合霍爾效應(yīng)傳感器和電流互感器類型
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、開關(guān)電源、逆變器、控制器、傳感器、放大器的瞬時電流等。
圖4 ZCP0030-50外觀圖
ZCP0030-50電流探頭性能測試
ZCP0030-5電流探頭性能參數(shù)測試包括17項功能指標(biāo)和1項性能指標(biāo)，綜合精度、帶寬、上升時間、分辨率和噪聲等測試。測試結(jié)果如下表所示。
圖5 ZCP0030-50 測試結(jié)果表
1、直流精度測試
校準(zhǔn)源輸出不同的被測電流值，使用六位半萬用表讀取電流探頭的響應(yīng)電壓值。從測試的數(shù)據(jù)可知，ZCP0030-50在量程范圍內(nèi)的直流精度為±1%±1mV。
圖6 直流精度測試表
2、上升時間測試
信號發(fā)生器輸出上升時間5ns的方波，示波器測量經(jīng)過電流探頭后的上升波形時間。測試結(jié)果顯示為8.5ns，這個測試時間包括信號發(fā)生器本身的上升時間和示波器探頭的上升時間。電流探頭實際的上升時間利用以下公式計算。
圖7 ZCP0030-50上升時間
3、方波響應(yīng)測試
方波響應(yīng)主要用來測試電流探頭幅頻響應(yīng)特性。電流探頭能夠完整的重現(xiàn)方波波形，不出現(xiàn)畸變，說明探頭的幅頻響應(yīng)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(yīng)的方波波形。從圖中可知，在測試1MHz的電流方波時，探頭的整體方波響應(yīng)的波形基本上沒有畸變，波形比較平坦，沒有發(fā)生傾斜。
圖8 100kHz方波響應(yīng)測試
圖9 1MHz方波響應(yīng)測試
4、噪聲測試
噪聲是電流探頭的重要參數(shù)，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際噪聲，測試結(jié)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
電流探頭有兩個最大額定電流：連續(xù)電流，峰值電流。測試電流超過任何一個都會使電流探頭飽和并磁化探頭從而導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤。
需要注意的是最大電流會隨著頻率的增加而減小，連續(xù)測試超過對應(yīng)頻率的最大電流會導(dǎo)致探頭損壞。我司ZCP0030-50電流探頭可測最大連續(xù)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(xù)電流
測試不連續(xù)電流時要留意電流探頭的安全測試最大時間，需考慮以下幾個因素：最大峰值電流、環(huán)境溫度、測試帶寬。注意：當(dāng)測試電流大小等于峰值電流或者接近峰值電流時探頭的頭部會發(fā)熱。
3、探頭進行在線消磁
由于電流互感器存在磁飽和問題，探頭消磁可以有效地對由殘留的直流磁場引起的失調(diào)電壓進行補償。當(dāng)沒有電流流過的導(dǎo)線嵌在鉗口中時，在大部分情況下，都可以進行在線消磁。
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)。示波器可以進行以下設(shè)置減少垂直噪聲：開啟帶寬限制濾波器、設(shè)置高分辨率采集模式或者平均模式。
此外，通過在探頭上纏繞多匝被測導(dǎo)體來提高測量靈敏度。此時信號的強度將按照被測導(dǎo)體在探頭上纏繞的匝數(shù)倍增。由于多纏繞幾圈會增加探頭的插入阻抗，探頭的帶寬也會降低，此方法適合測量直流信號或小幅度的低頻交流信號。
總結(jié)
在計量測試、電子設(shè)計中，電流探頭的作用是其他探頭無法代替的。使用電流探頭和示波器可以非常簡便地測量電流，正確、規(guī)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妨礙進行精確的低電平電流測量。
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