电流钳一种测量电流强度的适用性方法研究

　　摘  要：在节能型社会中电流测量已变得越来越重要，在电压确定情况下关系到电源功耗。夹钳式电流探头的出现，是为了解决测量电流的问题，它不仅使用方便，不像分流测量方法，需要断开电路进行测试，而且它采用感应式非接触传感器，安全可靠；更重要的是它适用广泛，可以全面提升万用表、示波器、功率计、记录仪等仪器电流和功率测量能力。本文从夹钳式电流探头的作用出发，从交流和直流两个方面重点研究了夹钳式电流探头的原理和应用，并简单列举了夹钳式电流探头一些具体应用。最后从实际出发，论述了日常测试工作中我们如何选择夹钳式电流探头。

　　关键词：电流测量  电流钳  霍尔效应  电子仪器

　　一、引言

　　夹钳式电流探头主要用来提升万用表、功率计、示波器、手持示波表、记录仪或记录器、以及其它各种各样仪器的电流测量能力，现已得到广泛使用。电流探头“钳围”载流导体，在不中断被测电路的情况下，进行非接触电流测量，它们输出与被测电流成比例的电压或电流信号，并且直接传送到具有低电流或电压输入的测试仪器上，通过仪器测量和显示相应的测量值，进而根据相应的转换比得出实际的导体通过电流。

　　使用夹钳式电流探头测量时，电流的载导电路不用断开，并且从仪表的输入端保持电气绝缘从仪表的输入端保持电气绝缘。这样既方便又安全，会使配套的测量仪表低输入端是既可以悬浮也可以接地。这种特点使钳形电流探头测量电流时，不需要断开电路，节省了设备来回启动的宝贵时间。

　　实际电路中电信号一般都不是完全的正弦波，为了保证测量精度和其高频特性，使用夹钳式电流探头时（如E3N），配套的显示仪表最好为真有效值（Trms）的万用表（如BM807和OI857）。在大多数情况下，钳形电流探头不会限制有效值（rms）测量，但是与它配套的仪器含限制有效值测量。好的钳形电流探头内部具有以下良好的特性：高精度、良好的频率响应和极小的相位偏移。

　　根据测量电流的频率，钳形电流探头根据两种不同原理，设计出两种不同的钳形电流探头：①交流夹钳式电流探头；②交直流夹钳式电流探头。

　　二、交流夹钳式电流探头的原理和应用

　　交流夹钳式电流探头在原理上可以看成一个简单的电流变压器（图1）。图1中变压器在磁体上缠绕了两个基本线圈。电流I1流过初级线圈C1，通过互感，次级线圈C2上产生相应的互感电流I2。这两个线圈的圈数（匝数）与电流关系的公式如下：N1×I1=N2×I2，其中N1为线圈C1的圈数，N2为线圈C2的圈数，这样我们可以导出如下公式：

　　图1  简易电流变压器原理图

　　同理，适用于夹钳式交流电流探头（图2）。夹钳式交流电流探头中可以张开的铁磁体表示为线圈B2，钳颚口夹住的导体流经电流I1。其中B1是一根简单的导体，它的线圈匝数N1为1，流经的电流I1是被测电流，这样电流探头“钳围”导体时，电流探头内部线圈B2根据其匝数，相比例产生输出电流I2，即

　　实际工作中，直接测量电流I1常常比较困难，因为电流I1一般较大，不能直接接到仪表上，此时也不可以简单地断开电路。为了产生一个能通过相应倍数比例的输出水平，交流电流探头内置了特有的探头线圈架。在钳形线圈上的匝数，一般方便设计成整数倍（如100、500或1000）。此时如果N2为1000，这样夹钳N1/N2的比率为1：1000，在输出显示上相应为1000：1的倍数关系。如果从输入和输出的电流关系出发，则这个比率可用探头的输出关系1mA/A表示，即探头输出显示为1mA时，颚口上流经测量电流为1A，或者显示为1A时，颚口上流经的测量电流为1000A。

　　图2  交流夹钳式电流探头原理图

　　有些探头也可能会使有更大的比率，例如500：5、2000：2、3000：1或者3000：5，这是为了满足不同领域测试电流的需要。大多数情况下，交流电流探头一般与数字万用表（如OI859CF）配套使用。例如当我们使用1000：1的电流探头，它具有1mA/A的输出，此时探头颚口流经的电流，按比例会得到相应的输出电流结果（表1）：

　　表1 探头颚口流经电流在1000：1转化后的输出电流

　　如果探头输出是电流，在连接到万用表时，万用表功能应设置到AC电流档，紧接在万用表上读出读数，同时与倍数比例相乘，就可以实际测出流过导体的电流值。例如万用表（一般为手持数字万用表DMM）在200mA量程读数为150mA，乘上电流探头转换比1000：1，在导体上流经的电流值为150mA×1000=150A。

　　交流电流探头不仅用在万用表上，还可以用在其它仪器上，例如示波器。只是需要注意以下两个方面：①电流探头的输出是电流还是电压，譬如示波器只能用带电压输出的交流电流探头；②仪器输入阻抗一定要相互匹配（图3）。带AC或DC电压输出的交流电压探头仅仅只能用在具有电压量程的测试仪器上（如示波器、记录仪等）（图4、图5），此时电流探头输出电压信号（例如MN60、Y4N和D37N），对应的换算倍数比例为mV电压与电流比，即1mV AC：1A AC。

　　交流夹钳式电流探头一般不需要外接电源，其简单经济实用，但是电流变压器内铁芯饱和时限制了线性电流的范围，并且无直流输出，在测量带有直流成份的电流时会影响测量动态性能，现在已广泛使用夹钳式直流电流探头。

图3 探头与仪器阻抗匹配   图4电流探头输出交流电压信号   图5 电流探头输出直流电压信号

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