發布日期：2022-10-09 點擊率：103
電壓傳感器的作用
電壓傳感器作用：電壓傳感器是能感受被測電壓并轉換成可用輸出信號的傳感器。在各種自動檢測、控制系統中，常常需要對高速變化的交、直流電壓信號作跟蹤采集，對于比較復雜的電壓波形作頻譜分析。這類信號可能是高電壓、大電流等強電，也可能是負載能力很差的弱電或幅值很小的信號。在這些情況中，就需要采用合適的電壓傳感器對不能直接測量或不匹配的電壓信號進行采集，從而得到標準化、電氣隔離的電壓信號。
對于交流電壓測量，可用電壓互感器作為傳感元件，即使用一臺電壓互感器將被測電壓降至到可利用的低電壓，然后通過相關電路變換成與被測電壓成線性關系的直流電壓送入到數據采集系統和A/D轉換器。
當被測電壓為直流電壓時，可用分壓電阻作為傳感元件，并聯在被測元件兩端的電阻值應足夠大（一般應控制在消耗功率小于被測電機額定功率的1/1000以下），以盡可能地減少該回路電流產生的損耗給測量值造成的影響，對于低壓電機，應在10KΩ左右。取該被測電壓在電阻上的一部分電壓降作為信號，直接送入到數據采集系統和A/D轉換器。
電壓傳感器選用原則
電壓測量中，應根據具體情況選擇合適的電壓傳感器，電壓傳感器選用的基本原則是：
①被測電壓的量值范圍是選擇電壓傳感器的重要依據，因此要有足夠寬的電壓測量的范圍；
②應有足夠寬的頻率范圍和足夠高的測量精度；
③有足夠高的輸入阻抗，電壓傳感器的輸入電阻就是被測電路的額外負載，為了減小測量電路的接入對被測電路的影響，要求其具有較高的輸入阻抗；
④應具有較高的抗干擾能力，被測電壓中往往含有一些噪聲干擾等不需要測量的成分。
根據不同的電流測量原理，電流傳感器一般有電阻分流器檢測、霍爾效應、磁通門、電磁感應、羅氏線圈（電磁感應原理及安培環路定律）這五種技術。根據測量原理的不同，電流傳感器主要有分流器、霍爾電流傳感器、電流互感器、磁通門電流傳感器、羅氏線圈、巨磁阻電流傳感器、光纖電流傳感器這幾種類型。
電壓傳感器原理：?
1.?磁平衡式霍爾電壓傳感器?
原邊電流VP通過原邊電阻轉換為原邊電流IP，IP產生的磁通量與霍爾電壓經過放大產生的副邊電流IS通過副邊線圈的磁通量相平衡。副邊電流IS精確地反映原邊電壓。
2.?磁調制式電壓傳感器?
本系列傳感器未使用霍爾元件。它采用兩組相同的磁路和副邊線圈，其工作原理為由內部方波振蕩電路產生的補償電流對安匝數補償，以達到磁場平衡。
3.?高阻隔離式電壓傳感器?
該系列電壓傳感器所測量的原邊電壓經原邊電阻值電阻分壓，其產生的低壓信號到副邊放大電路后輸出測量電壓信號Vs。?
4.?隔離放大器式電壓傳感器?
該系列電壓傳感器所測量的原邊電壓經過原邊高阻值電阻分壓，其產生的低壓信號采用高精度的光電隔離元件傳送到副邊放大電路后輸出測量電壓信號；亦可經電壓／電流轉換電路輸出測量電流信號IS。?
電流傳感器原理
一、分流器
分流器是根據直流電流通過電阻時電阻兩端產生電壓的原理制作而成，分流器實際就是一個阻值很小的電阻，當有直流電流通過時，產生壓降，供直流電流表顯示，直流電流表實際為電壓表，一般這個電壓表量程為75mV、150mV、300mV，用電壓表來測量這個電壓，再將這個電壓換算成電流，就完成了大電流的測量。
分流器原理圖
在低頻率小幅值電流測量中，表現出高的精度和較快的響應速度。在工業領域中，在不涉及到測量回路與被測電流之間電隔離的場合，分流器是將電流信號轉變成電壓信號的首選的低成本方案。
二、電流互感器
電流互感器原理是依據電磁感應原理的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。電流互感器的作用是可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流，用來進行保護、測量等用途。
穿心式電流互感器原理圖
電流互感器技術成熟，在工頻測量方面有非常高的精度，由于其原理限制，不能測量直流。
三、霍爾電流傳感器
霍爾電流傳感器包括開環式和閉環式兩種，開環的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原理，閉環的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原理。高精度的霍爾電流傳感器大多屬于閉環式。
開環霍爾電流傳感器原理圖
磁平衡式霍爾電流傳感器原理圖
四、磁通門電流傳感器
磁通門傳感器是利用被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的。這種物理現象對被測環境磁場來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應的磁通量即被調制，并產生感應電動勢。利用這種現象來測量電流所產生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。
磁通門電流傳感器原理圖
磁通門傳感器具有分辨力高、測量弱磁場范圍寬、可靠、能夠直接測量磁場的分量和適于在速運動系統中使用等特點。
五、羅氏線圈
羅氏線圈是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環形線圈。輸出信號是電流對時間的微分。通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，就可以真實還原輸入電流。該線圈具有電流可實時測量、響應速度快、不會飽和的特點，適用交流尤其是高頻大電流測量。
羅氏線圈測量原理圖
羅氏線圈是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環形線圈。輸出信號是電流對時間的微分。通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，就可以真實還原輸入電流。該線圈具有電流可實時測量、響應速度快、不會飽和的特點，適用交流尤其是高頻大電流測量。
六、巨磁阻電流傳感器
物質的電阻率在磁場中會產生輕微變化。這種現象叫磁阻效應（AMR）。某些條件下物質電阻率會隨磁場產生較大變化稱作巨磁阻效應（GMR）。GMR可以比AMR大一個數量級的靈敏度。巨磁阻效應是一種量子力學和凝聚態物理學現象，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。基于這個效應的傳感器就是巨磁阻傳感器。
巨磁阻電流傳感器原理圖
七、光纖電流傳感器
光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應為基礎、以光纖為介質的新型電流傳感器。激光束通過光纖，并經起偏器產生偏振光，經自聚焦透鏡人射到磁光晶體：在電流產生的外磁場作用下，偏振面旋轉θF角度;經過檢偏器、光纖，進人信號檢測系統，通過對θF的測量得到電流值。
光纖電流傳感器原理圖
光纖電流傳感器主要應用于電力系統中電流的測量;除此之外與電機制造廠、測量儀器儀表廠結合，還可研制開發線路事故點的標定裝置及事故區間的判定裝置等一系列電力系統的測量、診斷裝置。
在科學實驗和工業應用的很多場合，需要對電流和電壓進行測量和控制，特別是在一些需要對大電流和高電壓測量和控制以及對所測電流和電壓要求較高精確度的情況下，需要使用安全、方便可靠精確度較高的電流電壓傳感器。早期，人們采用分流器和分壓器的方法來實現對電流和電壓的檢測，但這種方法無法對主回路進行隔離測量，這種方法使用不安全、精確度低。后來人們又發明了互感器，它與直接分流、分壓的方法相比，實現了主回路進行隔離檢測，無疑是一大進步，但它的應用范圍比較窄，只適用于50Hz 正弦波的工頻檢測，對于其它波形電流、電壓的測量它就無能為力了。
隨著電力電子技術的發展，原有的電流檢測元件（如分流器、互感器）已不能滿足中、高頻，高di/dt，寬頻譜電流波形的傳遞，霍爾電流電壓傳感器是彌補這一空缺的、有著廣泛應用范圍和前景的主要檢測元件。霍爾電流電壓傳感器與普通互感器相比有著下面的特點：
1. 測量范圍廣：它可以測量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖、三角波形等，甚至對瞬態峰值電流、電壓信號也能忠實地進行反映；
2. 響應速度快：最快者響應時間只為1us。
3. 測量精度高：其測量精度優于1%，該精度適合于對任何波形的測量。普通互感器是感性元件，接入后影響被測信號波形，其一般精度為3%~5%，且只適合于50Hz 正弦波形。
4. 線性度好：優于0.2%
5. 動態性能好：響應時間快，可小于1us；普通互感器的響應時間為10~20ms。
6. 工作頻帶寬：在0~100KHz 頻率范圍內的信號均可以測量。
7. 可靠性高，平均無故障工作時間長：平均無故障時間>5 10 小時
8. 過載能力強、測量范圍大：0---幾十安培~上萬安培
9. 體積小、重量輕、易于安裝。
由于霍爾電流電壓傳感器以上的優點，故而可廣泛應用與變頻調速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機、電解電鍍、數控機床、微機監測系統、電NETJ控系統和需要隔離檢測電流電壓的各個領域中。
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霍爾電壓互感器的工作原理在測量交變電流的大電壓時,為能夠安全測量而在火線和地線之間并聯一個變壓器(接在變壓器的輸入端),這個變壓器的輸出端接入電壓表,由于輸入線圈的匝數大于輸出線圈的匝數,因此輸出電壓小于輸入電壓,電壓互感器就是降壓變壓器. 按原理分為電磁感應式和電容分壓式兩類。電磁感應式多用于 220kV及以下各種電壓等級。電容分壓式一般用于110kV以上的電力系統,330～765kV超高壓電力系統應用較多。電壓互感器按用途又分為測量用和保護用兩類。對前者的主要技術要求是保證必要的準確度；對后者可能有某些特殊要求，如要求有第三個繞組，鐵心中有零序磁通等。 電磁感應式電壓互感器 其工作原理與變壓器相同，基本結構也是鐵心和原、副繞組。特點是容量很小且比較恒定，正常運行時接近于空載狀態。電壓互感器本身的阻抗很小，一旦副邊發生短路，電流將急劇增長而燒毀線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時，副邊出現對地高電位而造成人身和設備事故。測量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結構，其原邊電壓為被測電壓（如電力系統的線電壓），可以單相使用,也可以用兩臺接成V-V形作三相使用。實驗室用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適應測量不同電壓的需要。供保護接地用電壓互感器還帶有一個第三線圈，稱三線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形（圖1）， 開口三角形的兩引出端與接地保護繼電器的電壓線圈聯接。正常運行時，電力系統的三相電壓對稱，第三線圈上的三相感應電動勢之和為零。一旦發生單相接地時,中性點出現位移,開口三角的端子間就會出現零序電壓使繼電器動作，從而對電力系統起保護作用。線圈出現零序電壓則相應的鐵心中就會出現零序磁通。為此，這種三相電壓互感器采用旁軛式鐵心（10kV及以下時）或采用三臺單相電壓互感器。對于這種互感器，第三線圈的準確度要求不高，但要求有一定的過勵磁特性（即當原邊電壓增加時，鐵心中的磁通密度也增加相應倍數而不會損壞）。 電磁感應式電壓互感器的等值電路與變壓器的等值電路相同。 電容分壓式電壓互感器 在電容分壓器的基礎上制成。其原理接線見圖2。 電容C1和C2串聯，U1為原邊電壓,為C2上的電壓。空載時,電容C2上的電壓為 由于C1和C2均為常數，因此正比于原邊電壓。但實際上，當負載并聯于電容C2兩端時,將大大減小,以致誤差增大而無法作電壓互感器使用。為了克服這個缺點，在電容C2兩端并聯一帶電抗的電磁式電壓互感器YH，組成電容分壓式電壓互感器(圖3)。 電抗可補償電容器的內阻抗。YH有兩個副繞組，第一副繞組可接補償電容Ck供測量儀表使用；第二副繞組可接阻尼電阻Rd，用以防止諧振引起的過電壓。 電容式電壓互感器多與電力系統載波通信的耦合電容器合用，以簡化系統，降低造價。此時，它還需滿足通信運行上的要求。電壓互感器工作原理 電磁式電壓互感器的工作原理和變壓器相同。 圖為電磁式電壓互感器原理接線圖，電壓互感器的特點是：(1)容量很小，類似一臺小容量變壓器；(2)二次側負荷比較恒定，所接測量儀表和繼電器的電壓線圈阻抗很大，因此，在正常運行時，電壓互感器接近于空載狀態。電壓互感器的一、二次線圈額定電壓之比，稱為電壓互感器的額定電壓比。即：kn=U1n/U2n其中一次線圈額定電壓U1n是電網的額定電壓，且已標準化(如10，35,110，220，330，500千伏等),二次電壓U2n，則統一定為100(或100/ )伏，所以 kn也標準化。互感器原理 在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便于二次儀表測量需要轉換為比較統一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。較早前，顯示儀表大部分是指針式的電流電壓表，所以電流互感器的二次電流大多數是安培級的（如5A等）。現在的電量測量大多數字化，而計算機的采樣的信號一般為毫安級（0-5V、4-20mA等）。微型電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。微型電流互感器也有人稱之為“儀用電流互感器”。（“儀用電流互感器”有一層含義是在實驗室使用的多電流比精密電流互感器，一般用于擴大儀表量程。）電流互感器原理線路圖微型電流互感器與變壓器類似也是根據電磁感應原理工作,變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。如圖繞組N1接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級繞組）；繞組N2接測量儀表，稱為二次繞組（或副邊繞組、次級繞組）。微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。微型電流互感器在額定工作電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n微型電流互感器大致可分為兩類，測量用電流互感器和保護用電流互感器。測量用電流互感器 測量用電流互感器主要與測量儀表配合，在線路正常工作狀態下，用來測量電流、電壓、功率等。測量用微型電流互感器主要要求：1、絕緣可靠，2、足夠高的測量精度，3、當被測線路發生故障出現的大電流時互感器應在適當的量程內飽和（如500%的額定電流）以保護測量儀表。保護用電流互感器 保護用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發生短路過載等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電路，以保護供電系統的安全。保護用微型電流互感器的工作條件與測量用互感器完全不同，保護用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開始有效的工作。保護用互感器主要要求：1、絕緣可靠，2、足夠大的準確限值系數，3、足夠的熱穩定性和動穩定性。保護用互感器在額定負荷下能夠滿足準確級的要求最大一次電流叫額定準確限值一次電流。準確限值系數就是額定準確限值一次電流與額定一次電流比。當一次電流足夠大時鐵芯就會飽和起不到反映一次電流的作用，準確限值系數就是表示這種特性。保護用互感器準確等級5P、10P
電磁感應式多用于 220kV及以下各種電壓等級。電容分壓式一般用于110kV以上的電力系統,330～765kV超高壓電力系統應用較多。
當被測線路發生故障出現的大電流時互感器應在適當的量程內飽和（如500%的額定電流）以保護測量儀表。
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