“电气测试技术”课程的特点及电流检测实例

陈志辉

(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016)

“电气测试技术”课程是许多高校电气专业课，能使学生掌握电气测试的方法，熟悉常用传感器的工作原理、选型以及测试数据的处理等。对于传感器选型、后级信号调理电路的设计等有很大益处。

“电气测试技术”课程的主要教学内容分为四部分:测量的基本概念;测量误差及数据处理;非电量的电测技术以及数字化测量技术［1-3］。

1 课程特点

1)理论性强

“电气测试技术”课程有的内容理论性比较强。测量的基本概念部分，包括测量的定义、测量仪表结构和输入输出特性等内容的，定义多，理论性都比较强。

课程是有关测量误差的理论部分，涉及到许多误差分析概念。其中包括:①误差的种类、随机误差、粗大误差、系统误差等概念;②三种误差的计算、处理方法:随机误差估算方法、粗大误差的判断准则、系统误差及其减小的方法;③测量数据的处理，还涉及到误差的合成与分配以及最佳测量条件的确定等，该部分内容需要用到许多数学知识。

课程中涉及到的传感器，涉及许多新的概念，其理论性也比较强。如光电式传感器中需介绍光电材料、外光电效应和光生伏特效应等。

2)实践性强

本课程安排了学生自己动手的实验课，其实验内容涉及到电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器等。而且课程的内容与实际结合较为紧密，许多传感器在日常生活和专业领域测量中应用广泛。如频率、时间和相位的测量方法可以应用在电动机、发电机的转速测量以及逆变器输出交流电压的频率测量。

3)综合性强

本课程还要应用到许多基础知识，在电阻传感器中会应用到电桥测电阻的知识，霍尔传感器的工作原理要应用到电磁场中洛仑兹力的知识，模拟电子技术中的运算放大器和模数转换器等。

2 电流测量的实例

2.1 采用电流表测量电流

用电流表测电流的电路图如图1所示，图中RA是电流表的内阻，置于未串入电流表之前，回路电流为I0;串入电流表后，流过电流表的电流变成IA，原电路的输出电阻用R0来表示。采用这种方法测量电流，需要注意方法误差对测量结果的影响。方法误差会导致测量结果里面的系统误差，而系统误差必须要限制在一定范围内，测量结果才有效。采用精度等级s，量程为Im的电流表，其单次测量的最大误差为

接入电流表后，IA与IB的关系为

由于串入电流表引起电流变化，带来的误差为

总的绝对误差为

我们在选择电流表时，尽量要使得被测电流在满量程的2/3附近，如果要使得由于串入电流表引起的系统误差可以忽略的话，需要满足:(RA/R0+RA)≪s%，即 RA/R0≪s%。

2.2 间接测量电流

通过串联电阻上的电压测电流，已应用在无刷直流电动机控制器的电流限制保护电路中。在一些发电机电压调节器中，也采用这种方法得到励磁电流，实现励磁电流限制与励磁电流负反馈等功能。采用回路串电阻的方法测量励磁电流，其检测电路如图2所示。

图1 电流表测电流

图2 由电阻电压测电流

此时励磁电流可以认为是通过测量电阻Rf上的电压获得，即 if=uf/Rf。

这种通过串联电阻测其电压得到电流的方法，属于间接测量方法。在分析其检测误差时，需要用到误差合成的知识。假设电阻Rf的相对误差为:±rRf，而后端放大调理电路的误差为:±ruf。由相对误差传递公式可知

因此，为了获得较好的检测效果，在采用高精密度电阻的同时，也要注意后级检测电路的检测精度。

2.3 通过电流霍尔传感器测量电流

霍尔传感器可以实现原、副边的电隔离。当霍尔元件置于与之垂直的磁场B中，(如图3)所示。当有电流I流过霍尔片时，在垂直于电流与磁场的方向上将产生电动势UH=KHIB。

图3 霍尔效应原理图

通常霍尔电流传感器可以分为直测式霍尔电流传感器和磁平衡霍尔电流传感器［4，5］。

直测式霍尔电流传感器如图4所示。原边电流Ip产生的磁通量聚集在磁路中，使霍尔片所处的B正比于Ip，并由电流传感器中的恒流源向霍尔片提供Ic电流，由霍尔片检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号VM就反映了原边电流的大小。这种电流传感器测量电流的最高频率为50kHz，反应时间 ＜7μs，线性度 ＜1%，而且电源耗电较小，最大量程可达10000A。

图4 直测式霍尔电流传感器

磁平衡霍尔电流传感器如图5所示。原边电流Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的磁通量相平衡;副边电流Is精确地反映原边电流。当该电流流过电阻RM，在RM上产生的电压VM正比于原边电流Ip。这种电流传感器的最高频率为可达150kHz，反应时间＜1μs，线性度＜0.1%，但该电流传感器的电源耗电大，最大量程通常不超过1000A。

3 结语

本文对“电气测试技术”课程的特点进行了分析。引入了实现电流检测的3个实例。其中涉及到本课程中的直接测量、间接测量、直读式测量和零位式测量等测量方法，还有误差合成以及霍尔传感器等多个知识点，在教学中通过电流实例的讲解，加深了学生对相关概念和传感器原理的理解。

图5 磁平衡霍尔电流传感器

［1］ 林德杰等，电气测试技术［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［2］ 李光茂.李跃.程养春等.一种基于光纤传输的宽频带冲击大电流测量系统的研究［J］.西安:高压电器，2010，46(11):21-25

［3］ 李俊.彭中华.直流大电流测量技术研究［J］.上海:仪表技术，2010.6:27-29

［4］ LEM Components.HAIS-HXS and HTFS Open Loop ASIC based Current Transducers from 5 to 800 ARMS nominal with reference access.Made to measure.Technical Information.CH 24108E.

［5］ LEM Components.Closed Loop Transducers with small footprint up to 100 A nominal.Technical Information.CH 99102.