测电流,测的是什么?
硬件设计常用的是利用采样电阻分压。采样电阻测电流的方式是通过在电路中串联一个已知阻值的电阻(采样电阻),利用欧姆定律测量电阻两端的电压降来计算电流。其特点是电路简单,成本低,但因为需要串入电路,很难用于不停机测试;且精密采样电阻成本并不低。
工业上常使用线圈互感。测量线圈互感测电流的原理基于电磁感应和互感现象,通过测量互感线圈中的感应电压来间接测量电流。非接触式测电流,但是,互感使用的线圈类似于一个电感,可以测交流,但很难应用于直流检测。
其实还有一类利用电磁感应原理的非接触式测电流方式。有电流就会产生磁场,测磁场值就能计算出电流,那就是MR/TMR磁阻以及磁通原理来设计磁阻测量原理就是利用高磁导率的材料组成电桥(全桥或者半桥),当外界磁场发生变化时,会优先从高磁导率的物质中通过——就像水池中突然破了一个洞,水流会优先从洞中流出去。
磁敏感材料在有磁场通过时会发生阻值的变化,那么,原来的电桥平衡被打破,输出的电势差经过后级电路放大处理,就可以换算成电流。其优点是非接触,体积小,交流和直流都可以测量,缺点是磁场复杂环境不适用,误差会很大,但可通过一些方式消除环境影响(比如磁通门)。
单位换算:1T(特斯拉)=1000mT=1000000uT,100uT=1Gs(高斯)=1Oe(奥斯特)
晒单芯片
hmc1021s单轴 ±0.6mT量程,分辨率85uGs,非线性度1.6%特点:量程偏小,分辨率高,电路偏复杂
需要使用运算放大器对输出的差分信号进行差分放大,并且需要使用双路MOS芯片及外部激励信号(吐槽一句,参考电路R9、R10使用电阻分压的方式来作为浮地,属实不太严谨,对精度影响挺大)
CT100LW-HS6单轴 ±20mT,非线性度±0.5%特点:量程大,非线性度低
其原理与HMC1021类似,但不包含激励部分,只有一组全桥结构。
RR112-1G42-531单轴 ±8mT 封装小,外围电路简单
集成了电流源和传感器部分等,但外部输出信号需放大处理。
电路设计
那么,要验证这三种传感器的性能水平,必然需要配套的电路及设计,以及产生电流来验证
在参考电路上稍作修改,ct100也使用差分电路处理。
磁传感器芯片远离后端信号处理电路,PCB板背面填充区域用于接入电流,磁场方向依据右手螺旋定则,因此传感器方向需要垂直于电流。
实物图
理论计算
电流产生的磁场有多少呢?计算公式是什么呢?
参考以下计算公式,或使用在线计算器计算有电流通过的直线的磁场计算器 & 在线公式 Calculator Ultra
所以当PCB板厚设置为1mm,通过1A电流时,测传感器处等效磁场约为0.0002T,即200uT,即2Gs
在相同供电条件下(DC5V)
HMC1021S灵敏度1mV/V/Gs,那么经过换算,当放大200倍时,即可达到1V/Gs的输出表现;当放大1000倍时,为5V/Gs
CT100LW灵敏度为5.2mV/V/mT,放大9.61倍时,达到线性区间内250mV/mT,单边输出5V/20mT;小量程时,放大961倍,达到2.5V/Gs
RR112灵敏度为-5mV/V/Gs,放大2.4倍后为线性区间内4.8V/8mT;放大200倍后为5V/Gs
实际测试
RR112未使用放大电路情况下,1A电流约为20mA
CT100在使用HMC1021同款差分放大电路时电压差约为120mV,但波形抖动明显
(测试图片整理中)
HMC1021S由于需要添加外部激励,还没测试完😰😰😰
下一版电路,预计将增加后级放大电路,计算阻值,优化电路设计,供电分布