电气测试技术课程电流测量实验的设计

史敬灼

河南科技大学 河南洛阳 471023

在贯彻落实教育部、工业和信息化部、中国工程院《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》的过程中，如何改革高校现有的实践教学模式与具体的教学方法，切实提高工科大学生的实践动手能力[1,2]，成为被广泛关注的问题之一。

课程实验是课程教学的重要组成部分，是实践教学中的一个主要环节，在加深学生对课程知识的理解、培养学生知识运用能力等方面具有重要作用[3,4]。本文以本科电气测试技术课程的电路测量实验为例，从实验装置设计与实验内容安排两方面，说明了尝试进行工科大学生实践教学模式改革的具体做法。

1 实验电路设计

为更好地锻炼学生的实践动手能力与知识运用能力，在实践过程中培养创新意识与创新能力，在电气测试技术课程的电流测量实验中，采用教师设计的电流测量电路作为实验装置。实验过程中，学生首先在电路板上焊接电子元件并逐步完成电路调试与功能测试、分析。教师自己设计实验电路，可以保证实验内容与课堂讲授内容完全契合，在通过课程实验巩固、领悟所学理论知识的同时，也使学生容易上手，易于获得成就感。

电流测量实验的主要目的是使学生掌握基于磁场的电流开环、闭环测量方法及电路实现方法，熟悉相关芯片功用。基于磁场的电流测量方法，是目前工业领域实际应用的主流测量方法；上述开环、闭环测量方法，都是基于霍尔效应，通过线圈与磁环，将被测电流量转变为磁场量(磁场强度)，再利用霍尔(Hall)元件测量磁场强度来实现电流测量的。为便于安装Hall元件来实现磁场强度的准确测量，采用开口磁环形成主磁路，开口宽度稍大于Hall元件厚度。在磁环上，采用漆包线绕制线圈，被测电流通过该线圈，在磁环中产生磁场，磁力线穿过磁环开口处的Hall元件。在该磁场作用下，Hall元件输出端呈现出与磁场强度成比例的电压信号。将该电压信号接入实验电路进行处理，就实现了电流测量。实验电路设计如下。

1.1 基于磁场的开环电流测量

如图1所示为开环电流测量实验电路的原理图，其电流测量范围为0～±2 A。该电路既可用于测量直流电流，也可用于测量交流电流。图中元件T2为测试点，是为了便于连接示波器探头进行信号测试而额外加入的。图中插座J3用于连接Hall传感器芯片。

图1 开环电流测量电路原理图

Hall传感器芯片在+5 V电源电压供电情况下，输出电压基准值(指磁场强度=0时的输出电压值)为2.5 V。为使图1所示电路的电流测量输出值与被测电流值成正比，图中运算放大器U2A-TLC2272构成的电路单元用来将Hall芯片输出电压的零点由2.5 V变为0 V。运算放大器U2B-TLC2272构成放大倍数为3的放大电路，使图1所示电路的输出电压值具有合适的量级。

在图1所示电路T2点测得电路输出电压值uo，就可以按照比例关系计算出被测电流值，计算式为

式中，iin为被测电流；U0为偏置电压值，是被测电流为0时的电路输出电压值；比例系数K1为被测电流通过线圈在磁环中产生的磁场强度值与电流值之比；比例系数K2为Hall芯片输出电压值与磁场强度值之比，可在芯片说明书中查知；比例系数K3为图1所示电路对Hall芯片输出电压的放大倍数，已知K3=3。

式(1)中未知的比例系数K1，与通过被测电流的线圈匝数、磁环所用磁性材料的磁化特性、磁环尺寸和结构等因素相关。常用磁性材料的磁化特性曲线都是非线性的，其曲线斜率不固定，这意味着K1不是常数。本实验中，通过对磁环的适当选取、限制被测电流范围等措施，可使所用磁环的磁化曲线近似为线性，从而使K1可取为常数。

一方面，由于每片Hall芯片、每个磁环、每块电路板上的电阻元件值均有差异，式(1)中的系数值也会略有差异。另一方面，磁环所用磁性材料的磁特性、电路元件参数均会随时间发生变化。因而，对式(1)中的系数值，在电流测量装置设计、制造过程中的初始实验测定及使用过程中的定期实验测定，是保持电流测量精度的必要措施。实验中，学生可以进行以被测电流值为横轴、开环电流测量电路输出电压值为纵轴的性能曲线数据测试。这样测得的实验曲线，其斜率等于K1K2K3。然后，电流测量中，测得T2电压值，即可根据所得参数计算被测电流值。

1.2 基于磁场的闭环电流测量

如图2所示为闭环电流测量实验电路的原理图，其电流测量范围为0～±2 A。该电路既可用于测量直流电流，也可用于测量交流电流。图中元件Te，T3，T4，T5，T6为测试点。图中插座J4用于连接Hall传感器芯片。

图2 闭环电流测量电路原理图

闭环电流测量所用磁环上有两个线圈。除了与开环测量时相同的流过被测电流的线圈(下文称其为“1号线圈”)之外，又增加了一个线圈(下文称其为“2号线圈”)，新增线圈中流过电流所产生的磁场方向与被测电流磁场方向相反。当两个线圈各自产生的磁场强度大小相等、方向相反时，磁环中的磁场强度为0；此时，两线圈中的电流比等于匝数反比。图2中插座J5用来连接2号线圈两个端点。

如图2中虚线框所示，电路包含零点偏移、PI控制器、控制量合成与功率放大、输出电压跟随等几个功能单元。下面依次进行简要介绍。

1.2.1 零点偏移

这一电路单元由U3A-TLC2274构成。其功用与上述图1电路中的U2A单元相同，减去A1324芯片的输出电压基准值，使得零磁场情况下的U3A输出(测试点Te)电压值为0。与图1电路不同的是，这里增加了电位器R19，以确保零磁场情况下的测试点Te电压值为0。实验过程中，在开始其他调试之前，首先应在J5未连接、被测电流为0的情况下，调节R19使测试点Te电压值为0。

1.2.2 PI控制器

这一电路单元是闭环控制器，由运算放大器U3BTLC2274，U3D-TLC2274构成，其参数直接决定测量性能。由图2可以看出，U3B电路单元是比例系数为10的比例放大器，U3D电路单元则是一个积分电路；两者的输出信号在U4-OPA551的反相输入端相加，合成为PI控制信号。实验过程中，可通过调节电位器R210来改变积分电路的积分系数，实现对闭环控制性能的调节。

1.2.3 控制量合成与功率放大

这一电路单元由大电流输出的运算放大器U4-OPA551构成。U4连接为放大倍数为1的反相加法器，实现对PI控制信号的合成；同时，U4的大电流输出能力又使其成为一个功率放大器，足以提供2号线圈所需电流。

1.2.4 输出电压跟随

电阻R28两端电压就是电流测量输出值。为减小负载效应对测量准确度的影响，设置U3C-TLC2274构成的电压跟随器。

2 实验内容设计

首先，学生焊实验电路板并进行调试，确认电路功能良好、元件焊接无误。其次，在教师指导下，在磁环上绕制1号线圈、2号线圈，贴装Hall芯片。最后，依次进行下列实验。

2.1 开环电流测量实验

(1)测量并记录0输入电流情况下的输出电压值(测试点T2)，即U0，供后续测量过程中计算电流使用。

(2)缓慢调节直流稳压电源电流调节旋钮，使流入1号线圈的电流逐渐增大；使用示波器测量并记录直流稳压电源电流显示值、测试点T2电压值。建议范围为0～2 A，间隔0.2 A测量一次。

(3)将电流调节旋钮左旋至底，将稳压电源两输出端子与1号线圈两端子反向连接，即，使输入电流反接。重复步骤(2)。

(4)讨论、分析开环电流测量可能存在的测量误差及误差来源，讨论改进措施。

2.2 闭环电流测量实验

(1)确定1号线圈、2号线圈的连接关系、匝数比。

(2)在J5未连接、被测电流为0的情况下，用示波器观测测试点Te波形，调节电位器R19使测试点Te的电压值为0。

(3)电路板断电。将直流稳压电源的一路输出调整为电流控制模式，电流调节旋钮左旋至底(0)；其两输出端子中的红色一端连接1号线圈“+”端，黑色一端连接1号线圈另一端。2号线圈插头插入J5。示波器探头连接测试点Te，T6，观测两点波形。

(4)电路板通电。快速调节连接1号线圈的直流稳压电源电流调节旋钮(下文简称为“电流旋钮”)至小于2 A的某一非零值，用示波器观测Te，T6动态响应过程波形，记录直流稳压电源显示的输入电流值、Te和T6的稳态值等数据。电流旋钮归0。

(5)快速调节电流旋钮至不同的电流值，重复步骤(4)。

(6)调节电位器R210，重复步骤(4)、步骤(5)，观测波形，比较调节前后的波形异同，分析原因，了解控制器参数对自动控制系统性能的影响。

(7)讨论、分析闭环电流测量可能存在的测量误差及误差来源，讨论改进措施。

3 结语

为切实提高学生实践动手能力、贴合课程教学内容，本文在电气测试技术课程的电流测量实验中，尝试采用教师自己设计的电路板进行课程实验。实验内容不再是实验台接线与记录，而是掌握实验电路原理与设计、电路板焊接与调试、分析与讨论。实际应用表明，这种不同以往的课程实验方式，深受学生欢迎，学生的知识运用能力和实践能力得到显著提升。