PPM级电流精度测量方式--磁通门

什么是磁通门传感器？

      磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。

这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。

利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。

      磁通门传感器是基于铁芯材料的非线性磁化特征，其敏感元件为高磁导率、易饱和材料制成的铁芯，有两个绕组围绕该铁芯：

一个是激励线圈，另一个是信号线圈。在交变激励信号fl的磁化作用下，铁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和的变化，

从而使围绕在铁芯上的感应线圈感应出反应外界磁场的信号。

标准型磁通门原理

磁通门原理其实质是易饱和磁芯在激励电流的作用下电感量随激励电流大小而变化，而电感量的变化导致磁通量的变化，

磁通量就像门一样被打开或关上，因此被形象的称之为磁通门电流探头（Flux Gate）。

磁通门电流探头又可以分为几种类型，如下图所示：例如标准型、C-type、IT-type、低频型等，

这里介绍下基本的标准型磁通门的原理。

标准型的磁通门电流探头结构很类似闭环霍尔结构，如下图所示，只是在磁芯的气隙处放置的不是霍尔元件，

而是一个磁通门的传感器，类似于一个可饱和电感。

在结构上同样有原边待测电流Ip（母线中电流），副边反馈电流Is（副边线圈中），当铁芯气隙中的总磁通量为0时，

可根据下式可以计算出Ip：

Ip=Ns﹒Is       Ns是副边绕组匝数

我们知道了计算电流Ip的方法，即调节副边电流Is，使得气隙处的总磁通量为0，即可得出Ip；

那么，我们怎么检测气隙处的磁通量呢？

这里在气隙处应用了磁通门传感器来检测气隙处的磁通量，它是由高磁导率易饱和材料制成的磁芯与线圈组成的。

省略中间的一些理论性的分析过程，当被测量的电流Ip=0时，磁芯中完整的激励电压Us信号，以及线圈内的激励电流Is，

见下图中的右上部分蓝色波形。

当被测量电流Ip≠0时，激励电流Is和外界电流Ip同时作用于磁芯，其饱和会提前，电感量会提前减小，或者说电流波形不再对称，

有偶次谐波电流产生。见下图右下部分蓝色波形。

其不对称的程度，取决于被测电流Ip的大小，通过对电流Is的波形进行处理，我们可以得到与Ip电流成比例的电压或电流信号，

这就完成了对电流Ip的测量，这便是磁通门电流传感器的原理。

由于磁通门特有的超高磁灵敏性，基于磁通门原理的电流传感器也具有了独特的特点：

高灵敏性，测量精度比普通霍尔原理高很多，又因为磁通门探头基于磁性材料，具有远比霍尔原理更稳定的温度特性。

对比传统开环霍尔技术，磁通门技术具备快速的响应时间、高精度、高线性度、高频宽、低温度漂移等优势。

磁通门的相关技术参数

考虑到磁通门传感器的性能指标，一般的静态性能指标有线性度、重复性、迟滞、 灵敏度、带宽、分辨率、零点和灵敏度温度漂移等。

以下对传感器的部分性能指标做一下简单介绍。

带宽：磁通门频率特性的到-3dB的频率通带范围。

原边额定电流Ipn：需要检测电流的直流额定值或交流有效值。

精度/准确度XG：测量与真实值的偏差程度。

线性度：实际测量的传感器的输入与输出校准曲线与某一规定(理论)直线不吻合的程度，称为传感器的“非线性误差”，或称“线性度”。

灵敏度/电流变比Kn：为传感器的输出量的变化量与输入量的变化量之比;

零点温度漂移：单位温度变化引起传感器零点变化的量与传感器在起始温度下满量程输出的百分比。

航智AIT60-SG磁通门的部分技术指标截图

应用领域

• 医疗核磁共振MRI
  

• 高精度电流或功率测量
  

• 数据中心直流供电系统
  

• 舰载大型电源系统
  

• 太阳能光伏，风能储能系统
  

• 交直流电流校验
  

• 计量与标准

• 新能源汽车储能、充电
  

磁通门相关产品

磁通门产品主要品牌有丹麦Danisense和中国航智。

Danisense是行业内磁通门传感器的标杆，全球顶尖的精密电流测试方案；

中国国内的高新技术企业航智科技的磁通门产品采用的是多点零磁通专利技术，是全球高精度电流测量新兴的实力品牌。

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