磁通門電流傳感器工作原理

　　磁通門傳感器的工作原理是基於鐵芯材料的非線性磁化特性，其敏感元件為高磁導率
、易飽和材料製成的鐵芯，有兩個繞組圍繞該鐵芯：一個是激勵線圈，另一個是信號線圈。在交變激勵信號fl的磁化作用下
，鐵芯的導磁特性發生周期性飽和與非飽和的變化，從而使圍繞在鐵芯上的感應線圈感應出反應外界磁場的信號。

　　因(yin)為(wei)磁(ci)通(tong)門(men)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)利(li)用(yong)被(bei)測(ce)磁(ci)場(chang)中(zhong)高(gao)導(dao)磁(ci)率(lv)磁(ci)芯(xin)在(zai)交(jiao)變(bian)磁(ci)場(chang)的(de)飽(bao)和(he)激(ji)勵(li)下(xia)，其(qi)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)與(yu)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)關(guan)係(xi)來(lai)測(ce)量(liang)弱(ruo)磁(ci)場(chang)的(de)。這(zhe)種(zhong)物(wu)理(li)現(xian)象(xiang)對(dui)被(bei)測(ce)環(huan)境(jing)磁(ci)場(chang)來(lai)說(shuo)好(hao)像(xiang)是(shi)一(yi)道(dao)“門”，通過這道“門”
，相應的磁通量即被調製，並產生感應電動勢。利用這種現象來測量電流所產生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。

　　磁通門電流傳感器原理圖

　　二、磁通門電流傳感器的構成

　下圖是磁通門電流傳感器的係統構成

　　磁通門電流傳感器係統構成框圖

　　電dian流liu傳chuan感gan器qi的de係xi統tong框kuang圖tu所suo示shi。電dian流liu所suo產chan生sheng的de的de磁ci場chang在zai磁ci通tong門men探tan頭tou內nei經jing激ji勵li信xin號hao調tiao製zhi後hou，通tong過guo峰feng值zhi檢jian波bo和he積ji分fen濾lv波bo電dian路lu產chan生sheng有you用yong的de電dian壓ya信xin號hao，然ran後hou經jing過guo反fan饋kui，使shi電dian流liu傳chuan感gan器qi工gong作zuo在zai零ling磁ci通tong狀zhuang態tai。

　　圖1：磁通門繞組結構圖

　　下麵本文以結構簡單並且應用較廣泛的一種單繞組磁通門進行介紹。如圖1所示：環形磁芯上繞有線圈，此繞組即作為激勵繞組又作為測量繞組
，所測電流從磁環中間穿過。

　　圖2：普通磁環B—H曲線

　　一般磁性材料都有S形狀曲線的特性
，稱之為磁滯回路（hysteresis loop），如圖2所示。此磁滯回路曲線建立在B—H的坐標軸上，為磁性材料遭受完全磁化與非磁化周期
，圖示為典型磁滯曲線的鐵心
，如果曲線由a點開始，此點表示最大正磁化力，至b點磁化力為零，然後下降至c點為最大負磁化力
，再至d點磁化力為零，最後返回最大正磁化力的a點，此即為整個磁性周期。高導磁率、低矯頑力磁芯的磁滯回線如圖3所示。

　　圖3：高u磁環的B—H曲線

　　當我們在磁環導線中加入電流分量後
，電流所產生的磁場會使原本對稱的B-H磁滯回線會改變中心線變成如圖4所示形狀。

　　圖4：加入直流的高u磁環B—H曲線

　　假設激勵磁場強度為：Hmcosωt，就能得到磁通門磁芯上的總磁場強度為：

　　……1

　　式中：

　　H 0——為導線電流在環形磁芯上的磁場強度；

　　H m——為激勵磁場強度幅值
；

　　ω——為激勵場角頻率。

　　則線圈中的感應電動勢：

　　……2

　　式中：

　　N——為繞組線圈匝數；

　　S——為環形磁芯的截麵積
；

　　uTd——為磁芯物質的微分磁導率。

　　根據磁飽和特性，當H0 =0時
，H（t）= Hm cosωt，在磁飽和作用下磁感應強度為：

　　……3

　　式中：Ba為磁化曲線飽和段延長線在B 軸上的截距，顯然，B（t）是對時間軸上下對稱的平頂波

，根據傅裏葉級數分析
，它隻含奇次諧波不含偶次諧波。

　　當外磁場H0≠0時

，H（t）= H0+Hm cosωt，B（t）的表達式為：

　　……4

　　這時
，B（t）成為上下不對稱的平頂波，根據傅裏葉級數分析可知，它不僅含有奇次諧波還含有偶次諧波。而由式2可知，E（t）和B（t）應含有相似的波形成分，因此，可以根據E（t）在激勵周期內的振幅的上下不對稱來檢測外電流所產生的磁場B0
，從而達到測量電流的目的。

　　整個過程可以概括為：當磁通門式電流傳感器工作時，激勵線圈中加載一固定頻率、固gu定ding波bo形xing的de交jiao變bian電dian流liu進jin行xing激ji勵li
，使shi磁ci芯xin往wang複fu磁ci化hua達da到dao飽bao和he。在zai不bu存cun在zai外wai在zai電dian流liu所suo產chan生sheng的de被bei測ce磁ci場chang時shi，則ze檢jian測ce線xian圈quan輸shu出chu的de感gan應ying電dian動dong勢shi隻zhi含han有you激ji勵li波bo形xing的de奇qi次ci諧xie波bo，波bo形xing正zheng負fu上shang下xia對dui稱cheng。當dang存cun在zai直zhi流liu外wai在zai被bei測ce磁ci場chang時shi，則ze磁ci芯xin中zhong同tong時shi存cun在zai直zhi流liu磁ci場chang

　　和he激ji勵li交jiao變bian磁ci場chang，直zhi流liu被bei測ce磁ci場chang在zai前qian半ban周zhou期qi內nei促cu使shi激ji勵li場chang使shi磁ci芯xin提ti前qian達da到dao飽bao和he
，而er在zai另ling外wai半ban個ge周zhou期qi內nei使shi磁ci芯xin延yan遲chi飽bao和he。因yin此ci，造zao成cheng激ji勵li周zhou期qi內nei正zheng負fu半ban周zhou不bu對dui稱cheng，從cong而er使shi輸shu出chu電dian壓ya曲qu線xian中zhong出chu現xian振zhen幅fu差cha。該gai振zhen幅fu差cha與yu被bei測ce電dian流liu所suo產chan生sheng的de磁ci場chang成cheng正zheng比bi，因yin此ci可ke以yi利li用yong振zhen幅fu差cha來lai檢jian測ce磁ci環huan中zhong所suo通tong過guo的de電dian流liu。