超全的常用测试电流检查方法

指针式直流电流表

数值式万用表能测交直流

电流—电压转换，A/D转换，显示

钳流表非接触式，交直流精度较上面仪器要低些

霍尔原理

电流探头配合示波器使用，用于观察电流波形交直流霍尔原理

常用的用于测量电流的仪表，显示出来的电流大小大多是有效值。

有效值也指均方根值，其物理意义：一个交流电流和一个直流电流作用在同一电阻上，若在相同的时间内它们所产生的热量相等，则交流电流的有效值I 等于该直流电流值。假设交流信号的周期为T ：

由220()=I RT T

P i t Rdt =? ? I =显然，直流电流的有效值和平均值是相等的。

平均值： 01

()T

I i t dt T =? 显然正负对称的交流信号平均值为0

另种定义： 0

1|()|T I i t dt T =? 全波整流之后的平均值 波形系数K F 定义：信号的有效值与平均值（全波整流后的值）之比，_F I K I =

。 显然，不同类型信号的波形系数不同。

波峰系数Kp 定义：信号的峰值与有效值之比， p p I K I =

下表为一些常见信号的一些参数

知道了波形系数和波峰系数之后，对特定信号可以很容易的进行不同值之间的转换。实际上，直接获取信号的有些仪表就利用了这一转换原理进行有效值的测量。

一.直接测量法

在被测电电路中串入适当量程的电流表，让被测电流流过电流表，从表上直接读取被测电流值。

中学实验室里常用的直流电流表是指针式磁电系电流表，它由灵敏电流计（俗称表头）改装而成。灵敏电流计主要由永磁铁、可动线圈、螺旋弹簧（游丝）和指针刻度盘等组成。如下图：

图2-1 电流计原理图

当线圈通以电流时，线圈的两边受到安培力，设导线所处位置磁感应强度大小为B、线框长为L、宽为d 、匝数为n，当线圈中通有电流时，则安培力的大小为：F=nBIL 。安培力对转轴产生的力矩：M1=Fd= nBILd。不论线圈转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，安培力的力矩不变。在这一力矩的作用下，线圈就会顺时针转动。当线圈转过θ角时（指针偏角也为θ），两弹簧相应地会产生阻碍线圈转动的扭转力矩M2 (M2=kθ，胡克定律）。

由力矩平衡M1=M2得：

k

I=

nBILd

θ

，可见I∝θ

电流越大，指针偏转的角度越大。在表盘上标出相应的电流值，就成了电流表且表盘刻度是均匀的。

电流计的量程仅在几十微安到几毫安，为测较大电流，需在表头上并联分流电阻对

其进行改装。如下图，分流电阻：

*

Ig Rg Ir

I Ig =

-

图2-2 电流计改装原理

特点：灵敏度高，线性度好；适合测量小幅值直流电流信号。

注：使用时要校零、注意接线正负并选择适当的量程，一般让指针在满量程的1/2~2/3偏转以减小测量误差。

二、电流—电压转换法

取样电阻法也叫分流器法，在被测电流回路中串入一个很小的标准电阻r(称之为取样电阻)，将被测电流转换为被测电压。为了减小测量误差，要求放大电路应具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，一般采用电压串联负反馈放大电路。如下图：

图2-3 取样电阻法

由电路知识得:

3

Ix

(23)*

R

Ux

R R r

=

+

其中，S1~S3为量程选择开关。

精度：与分流器材料的散热性能、电阻率的稳定性和温度稳定性有很大关系。制造分流器的材料，常用的有康铜和锰铜等合金金属。在满足控制需要的前提下，r应尽可能选择阻值小（减小功耗）和寄生电感量小（减小电流变化率的影响）的电阻。

数字万用表和指针式电流表通常使用的都是取样电阻法，其原理简单，适合低频率小幅值电流测量。

三、电流—频率转换法

用7555定时器组成电流频率转换器，是比较简单的方案。将电路的阈值端（6脚），触发端（2脚）和放电端（7脚）全部连接在一起，并接上一个积分电容，利用输入电流对电容的充放电，实现从电流到频率的转换。如图，输入电流对电容C 充电使其电压上升，当达到阈值点时，输出即回到0，同时放电端对地短路，电容迅速放电。一旦电容的电压低于触发值，输出重新变为高电平，放电端开路，电容重新充电，重复以上过程。

图2-4 电流—频率转换 因放电端导通电阻很小，所以电容放电电很快，并且几乎于输入电流无关，输出负脉冲宽度非常小。所以频率主要取决于充电电流Ix 。电流越大，频率越高。采用高输入阻抗的CMOS 电路，可得到很高的灵敏度。频率可达数十千赫兹。Rp 用于调整转换比。

电容C 选择低漏电的，其数值由要求的转换系数K 决定。在控制端不外接电压的情况下，外接积分电容C 应为：

3*C VDD K

K 的单位是Hz/uA ，C 的单位是uF 电阻R 做零点补偿，保证电流等于0时输出频率也是0，而且波形也处于高电位。在满足以上条件的前提下，R 应尽量取大些，否则会影响小电流的灵敏度。

该电流可用于各种恒流源场合，对为电流（如光电流）电流检测尤为合适。

四、电流—磁场转换法

霍尔电流传感器是一种常用的有源型电流测量装置，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量。霍尔元件是一种半导体薄片，根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基础。

所示为霍尔元件的半导体薄片的横向方向通过电流 Ic ，在垂直于薄片的磁场B 作用下，载流子由于受到洛仑兹力的作用，在纵向上发生偏转，在薄片的上下两端不断积累，其中一边累积正电荷，另一边累积负电荷，正负电荷之间的电场被称作霍尔电场，它们之间的电势差被称作霍尔电势，霍尔电势与电流 Ic 和磁感应强度B 成正比。

图 2-5 霍尔元件的传感原理

推导电势表达式：H cos cos H H c c R U I B K I B d

θθ== R H —霍尔系数（材料决定），d —霍尔元件的厚度，Ic —输入电流，B —磁场强度，θ为Ｂ与元件平面法线方向的夹角，H K —霍尔元件的灵敏度

材料尺寸和确定的情况下，K H 为常数，霍尔电势U H 仅与IB 的乘积成正比，利用这一特性，在恒定的磁场下，可以用来测量电流I 。当K H 和B 恒定是，I 愈大，U H 愈大。 ＫＨ一般要求越大越好 一般采用Ｎ型半导体材料作为霍尔器件 厚度越薄，灵敏度越高 温度补偿

精度：将霍尔电流传感器分为开环型霍尔电流传感器和闭环型霍尔电流传感器。开环型霍尔电流传感器精度一般可达10-2级；闭环型霍尔电流传感器采用了零磁通原理，精度可达10-3。

适用于从直流到中频段的任意波形电流的测量，在现在的工业现场，霍尔电流传感器是数百安培以内电流检测的首选产品。

从表 1.1 中对各种传感原理的性能汇总来看：对于直流测量，分流器和霍尔电流传感器原理最为简单，霍尔电流传感器与分流器相比，其优点是可以有效的实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘；对于交流测量，基于变压器原理的交流互感器应用的最为广泛，磁饱和问题是限制交流电流互感器应用在暂态电流测量的主要原因。

各种电流传感器的性能参数比较

综上所述，空芯线圈和霍尔电流传感器分别是测量交、直流电流的最简单而行之有效的电

流检测手段，针对霍尔电流传感器、空芯线圈所存在的不足

电流探头是根据法拉第原理设计的用来测量导线中干扰电流信号的磁环

五、电流互感器法

在大电流检测场合，从安全和降低功率损耗角度考虑，大多采用电流互感器进行电流的检测。电流互感器有检测交流的交流互感器和检测直流的直流互感器。

交流电流互感器的典型结构与普通变压器相似升压变压器（如下图），它包括一个闭

合铁芯和两个绕组，在理想的情况下，如果忽略激磁电流，则原副边绕组的磁通势是相互平衡的，即：I1w1=I2w2。其中，I1为被测电流，I2为副边电流，w1和w2分别为原副边的绕线匝数。对于一个电流互感器，原副边绕组的匝数是已知且固定的，通过测量副边电流即可测量原边被测电流的大小。可见，电流互感器通过测量较小的感应电流实现对电路中大电流的检测；同时，实现测量回路与被测回路之间的电气绝缘。

交流电流互感器原理图

精度可达10-4级；基于零磁通原理的电流互感器，精度可达到10-5级甚至更高

提高精度：采用高磁导率、高磁通密度的磁性材料，并且应选择合适的磁芯形状。

缺点：被测电流中存在暂态直流分量时，铁芯将进入饱和区域，互感器的测量精度恶化电流互感器副边匝数远大于原边，在使用是副边绝对不允许开路。否则会使原边电流完全变成励磁电流，铁心达到高度饱和状态，使铁心严重发热并在副边产生很高的电压，引起互感器的损坏并危及人身安全，副边必须可靠接地。

互感器输出的是电流，测量时采用电流电压转换电路，在互感器副边接一电阻R（阻值大小有互感器的伏安容量决定），从R上取得电压接到放大器或交直流变换器上，则R上的电压U=I2*R=I1*R*N1/N2

直流电流互感器利用被测直流改变带有铁芯扼制线圈的感抗，间接的改变辅助交流电路的电流，从而来反映被测电流的大小。

直流电流互感器的典型结构如下图所示，它由两个相同的闭合铁芯组成，每个铁芯上都有两个绕组：原边绕组和副边绕组。原边绕组串联接入被测电路，副边绕组反向串联连接到辅助交流电路里。假定铁芯具有理想的磁特性曲线，即铁芯不存在损耗，原边绕组和副边绕组均匀的分布在铁芯上，即铁芯被均匀的磁化，副边绕组内阻相对于副边绕组自感系数可忽略，经过数学推导，直流电流互感器的副边电流为方波电流，其频率与电压激励源的频率相等，其幅值满足下列关系式：

直流电流互感器精度一般在5×10-3，当被测电流相对互感器的额定电流较小时，误差更大，此外，易受外磁场的影响。

且随着被测电流的增加，互感器会变得过于庞大和笨重；直流电流互感器是现在工业领域中检测直流大电流最常用的方法之一，其动态范围小，测量精度不够理想；交流电流互感器在电网工作频率附近频段拥有较高的精度，但是，暂态直流分量容易使得测量误差急剧恶化

钳形电流表测量交流电流的过程是电参量与磁参量相互转换的过程，其基本原理是通过钳形电流互感器将穿心的一次大电流变换为二次可测小电流或小电压，再通过电子转换装置或模拟指示仪表标示直读一次被测电流。

测量交流电流的钳形表实质上是由一个电流互感器和一个整流式磁电系电流表所组成被测载流导线相当于电流互感器的一次绕组二次绕组与表头相连接当被测载流导线置于电流互感器分裂铁心的钳口中就相当于电流互感器的初级线圈工作电流在其铁心回路感应出磁通磁通穿过二次绕组感应出二次电压并在二次负载中形成电流电流表指针将产生偏移指示电流值由于其分裂铁心部分的漏阻抗大所以这不适用于精密测定和1A以下的小电流测量

测量交流直流的钳形表

这种钳形表是电磁式仪表没有二次绕组。置于钳口中的被测载流导线作为励磁绕组，磁通在铁心中形成回路，电磁式测量机构位于铁心的缺口中间，受磁场的作用而偏转获得读数。因其偏转不受测量电流种类的影响所以可测量交、直流电流

根据其结构及用途分为互感器式和电磁系两种。

常用的是互感器式钳形电流表，由电流互感器和整流系仪表组成。它

只能测量交流电流。电磁系仪表可动部分的偏转与电流的极性无关，

因此，它可以交直流两用。

通常为2.5～5 级

电流探头根据变压器原理制作的能见车导线上电流的传感器。在进行电磁兼容实验时，电流探头是一种常用的测量导线上电流的钳形变换器，变换器的输出一电压表示。电流探头须与频谱分析仪或干扰测量接收机配合使用，其工作频率范围为10HZ~100MHz.