磁通门电流传感器构成及工作原理

图1：磁通门绕组结构图
　　下面本文以结构简单并且应用较广泛的一种单绕组磁通门进行介绍。如图1所示：环形磁芯上绕有线圈，此绕组即作为激励绕组又作为测量绕组，所测电流从磁环中间穿过。

图2：普通磁环B—H曲线
　　一般磁性材料都有S形状曲线的特性，称之为磁滞回路(hysteresis loop)，如图2所示。此磁滞回路曲线建立在B—H的坐标轴上，为磁性材料遭受完全磁化与非磁化周期，图示为典型磁滞曲线的铁心，如果曲线由a点开始，此点表示最大正磁化力，至b点磁化力为零，然后下降至c点为最大负磁化力，再至d点磁化力为零，最后返回最大正磁化力的a点，此即为整个磁性周期。高导磁率、低矫顽力磁芯的磁滞回线如图3所示。

图3：高u磁环的B—H曲线
　　当我们在磁环导线中加入电流分量后，电流所产生的磁场会使原本对称的B-H磁滞回线会改变中心线变成如图4所示形状。

图4：加入直流的高u磁环B—H曲线
　　假设激励磁场强度为：Hmcosωt，就能得到磁通门磁芯上的总磁场强度为：

……1
　　式中：
　　H 0——为导线电流在环形磁芯上的磁场强度；
　　H m——为激励磁场强度幅值；
　　ω——为激励场角频率。
　　则线圈中的感应电动势：

……2
　　式中：
　　N——为绕组线圈匝数；
　　S——为环形磁芯的截面积；
　　uTd——为磁芯物质的微分磁导率。
　　根据磁饱和特性，当H0 =0时，H(t)= Hm cosωt，在磁饱和作用下磁感应强度为：

……3
　　式中：Ba为磁化曲线饱和段延长线在B 轴上的截距，显然，B(t)是对时间轴上下对称的平顶波，根据傅里叶级数分析，它只含奇次谐波不含偶次谐波。
　　当外磁场H0≠0时，H(t)= H0+Hm cosωt，B(t)的表达式为：

……4
　　这时，B(t)成为上下不对称的平顶波，根据傅里叶级数分析可知，它不仅含有奇次谐波还含有偶次谐波。而由式2可知，E(t)和B(t)应含有相似的波形成分，因此，可以根据E(t)在激励周期内的振幅的上下不对称来检测外电流所产生的磁场B0，从而达到测量电流的目的。
　　整个过程可以概括为：当磁通门式电流传感器工作时，激励线圈中加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励，使磁芯往复磁化达到饱和。在不存在外在电流所产生的被测磁场时，则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称。当存在直流外在被测磁场时，则磁芯中同时存在直流磁场
　　和激励交变磁场，直流被测磁场在前半周期内促使激励场使磁芯提前达到饱和，而在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因此，造成激励周期内正负半周不对称，从而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅差与被测电流所产生的磁场成正比，因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流。
2、磁通门电流传感器的系统构成

图5：磁通门电流传感器系统构成框图
　　电流传感器的系统框图5所示。电流所产生的的磁场在磁通门探头内经激励信号调制后，通过峰值检波和积分滤波电路产生有用的电压信号，然后经过反馈，使电流传感器工作在零磁通状态。