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2019年11月27日 | 技术文章—您测量电流的方法用对了吗？
2019-11-27 来源：EEWORLD
摘要：电流的准确测量对测试结果至关重要，但想要准确测量电流就需要选用合适的电流探头与正确的测试方法。本文跟您说说电流测量那些事儿，并带您了解ZLG致远电子的测试方案。
在日常的计量测试工作中，电流是一个相当重要的测量值。和使用采样电阻产生压降的方式测量电流相比，电流探头只需把导线完全绕在探头磁芯上就可以实现电流测试。这种方式不需要断开电源来连接，可以在不破坏导线的情况下测量流经导线的电流，使用十分便捷。此外，电流探头与电压探头配合使用能够测试功率、相位等数据，这对于电气设计来说是非常有意义的。
一、电流探头的原理
常用电流探头有霍尔传感器和测量电流磁场两种类型。
霍尔效应传感器是一种根据磁场变化输出电压的换能器，其电流探头一般是测量直流或低频信号的。此类电流探头是利用补偿原理实现测量的，测量范围可借助于补偿放大器, 通过改变转移阻抗加以改变。
电流互感器类型的电流探头只能用于测量交流电流，常用于高频测量。互感器核心内的交流电流在核心内产生磁场，然后在第二绕组电路中引出电流，并被馈送至测量仪。第二绕组的感应电压将与主要绕组电流成正比。电流卡环是将线圈绕组绕制在导磁率较高的磁性材料上, 当被测电流较大时, 存在磁饱和问题。为了进行精确测量，需要偶尔对探头进行消磁，并在消磁后补偿探头上保留的任何直流偏移。
现在常见的技术是混合交流/直流电流探头，在一个探头内整合了用于测量直流和低频的霍尔效应传感器元件以及测量交流的电流互感器。
图1 霍尔效应传感器类型
图2 电流互感器类型
图3 混合霍尔效应传感器和电流互感器类型
二、ZCP0030-50电流探头
我司研发的ZCP0030-50电流探头是混合交流/直流型，可以测量直流/交流电流，测量模拟带宽50MHz，测量精度可达1%。这款探头有30A和5A两个量程，电流传输比分别为 0.1V/A 和 1V/A，主要用于测量马达、开关电源、逆变器、控制器、传感器、放大器的瞬时电流等。
图4 ZCP0030-50外观图
三、ZCP0030-50电流探头性能测试
ZCP0030-5电流探头性能参数测试包括17项功能指标和1项性能指标，综合精度、带宽、上升时间、分辨率和噪声等测试。测试结果如下表所示。
图5 ZCP0030-50 测试结果表
1、直流精度测试
校准源输出不同的被测电流值，使用六位半万用表读取电流探头的响应电压值。从测试的数据可知，ZCP0030-50在量程范围内的直流精度为±1%±1mV。
图6 直流精度测试表
2、上升时间测试
信号发生器输出上升时间5ns的方波，示波器测量经过电流探头后的上升波形时间。测试结果显示为8.5ns，这个测试时间包括信号发生器本身的上升时间和示波器探头的上升时间。电流探头实际的上升时间利用以下公式计算。
图7 ZCP0030-50上升时间
3、方波响应测试
方波响应主要用来测试电流探头幅频响应特性。电流探头能够完整的重现方波波形，不出现畸变，说明探头的幅频响应平坦。
信号发生器输出电流峰峰值100mA，频率分别100KHz、1MHz的方波，示波器显示相对应的方波波形。从图中可知，在测试1MHz的电流方波时，探头的整体方波响应的波形基本上没有畸变，波形比较平坦，没有发生倾斜。
图8 100kHz方波响应测试
图9 1MHz方波响应测试
4、噪声测试
噪声是电流探头的重要参数，噪声的大小直接影响到探头的分辨率，噪声越小，分辨率越高。使用示波器测试电流探头的实际噪声，测试结果峰峰值小于10mA，交流有效值小于1mArms。
图10 电流探头噪声测试
四、正确使用电流探头
1、电流探头最大量程
电流探头有两个最大额定电流：连续电流，峰值电流。测试电流超过任何一个都会使电流探头饱和并磁化探头从而导致测量结果错误。
需要注意的是最大电流会随着频率的增加而减小，连续测试超过对应频率的最大电流会导致探头损坏。我司ZCP0030-50电流探头可测最大连续电流为30Arms，在测试带宽50MHz处为2Arms。
图9 测试频率与最大额定电流关系
2、测试不连续电流
测试不连续电流时要留意电流探头的安全测试最大时间，需考虑以下几个因素：最大峰值电流、环境温度、测试带宽。注意：当测试电流大小等于峰值电流或者接近峰值电流时探头的头部会发热。
3、探头进行在线消磁
由于电流互感器存在磁饱和问题，探头消磁可以有效地对由残留的直流磁场引起的失调电压进行补偿。当没有电流流过的导线嵌在钳口中时，在大部分情况下，都可以进行在线消磁。
4、提高测量灵敏度
使用电流探头测试小电流的精度与示波器垂直噪声大小有关。示波器可以进行以下设置减少垂直噪声：开启带宽限制滤波器、设置高分辨率采集模式或者平均模式。
此外，通过在探头上缠绕多匝被测导体来提高测量灵敏度。此时信号的强度将按照被测导体在探头上缠绕的匝数倍增。由于多缠绕几圈会增加探头的插入阻抗，探头的带宽也会降低，此方法适合测量直流信号或小幅度的低频交流信号。
五、总结
在计量测试、电子设计中，电流探头的作用是其他探头无法代替的。使用电流探头和示波器可以非常简便地测量电流，正确、规范地使用电流探头对于测量精度是十分重要的，此外示波器的垂直噪声也会妨碍进行精确的低电平电流测量。
史海拾趣
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