1.2 电流传感器

1.2.1 霍尔电流传感器

霍尔电流传感器的基本工作原理为霍尔效应，可实现直流电流、交流电流的隔离检测，根据其结构和磁通测量方式，可分为开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器[5]。

如图1-1所示，开环式霍尔电流传感器由霍尔元件、磁心以及放大电路三部分组成。当被测电流流经放置于测量孔位的导线时，在环形磁心内产生与电流强度成正比的磁通量Φ。根据霍尔效应原理，放置于磁环气隙内的霍尔元件受该磁通量作用，将在霍尔元件两端产生正比于磁感应强度B的电势差U_Hall，如式（1-1）所示，再经放大电路，输出正比于电流信号的U_out。

式中，B为磁感应强度，B=ΦS；S为磁环气隙截面积；I_Hall为霍尔激励电流；R_Hall为霍尔系数；d为霍尔元件厚度。

开环式霍尔电流传感器的特性：①结构简单，可靠性好，过载能力强；②由如图1-2所示的软磁材料磁滞曲线可知，随着磁场强度H的增加，磁感应强度B呈现非线性变化，导致线性度较差；③动态响应特性较差，频带宽度窄。

通过上述分析可知，磁心的B-H非线性特性是导致开环霍尔电流传感器线性度较差的主要因素。闭环霍尔电流传感器通过引入了零磁通法，有效提升了测量准确度，属于磁平衡电流传感器，由磁心、霍尔元件、放大电路和二次侧线圈四部分组成，其结构如图1-3所示。测量原理为：被测电流流经放置于测量孔位的导线时，在环形磁心内产生磁通量Φ，二次侧线圈产生大小相等、方向相反的磁通Φ′，此时霍尔元件内部为零磁通。对于直流或者低频交流电流信号，反向磁通量Φ′较小，磁通量Φ和Φ′无法完全抵消，根据霍尔元件检测到的剩余磁通量|Φ-Φ′|，闭环控制电路立刻调整补偿电流以维持零磁通状态，通过检测二次侧线圈电流I_s即可实现电流测量。

闭环式霍尔电流传感器特性：①磁心处于零磁通状态，消除了磁心的B-H非线性特性影响，具有良好的线性度；②霍尔元件仅用来测量剩余磁通量|Φ-Φ′|，有效提升了测量准确度；③高频交流电流信号由二次侧线圈直接进行磁通抵消，低频或直流电流信号由闭环控制系统进行磁通抵消，因此具有较高的测量带宽。