電流鉗一種測量電流強度的適用性方法研究

　　摘  要：在節能型社會中電流測量已變得越來越重要，在電壓確定情況下關系到電源功耗。夾鉗式電流探頭的出現，是為了解決測量電流的問題，它不僅使用方便，不像分流測量方法，需要斷開電路進行測試，而且它采用感應式非接觸傳感器，安全可靠；更重要的是它適用廣泛，可以全面提升萬用表、示波器、功率計、記錄儀等儀器電流和功率測量能力。本文從夾鉗式電流探頭的作用出發，從交流和直流兩個方面重點研究了夾鉗式電流探頭的原理和應用，并簡單列舉了夾鉗式電流探頭一些具體應用。最后從實際出發，論述了日常測試工作中我們如何選擇夾鉗式電流探頭。

　　關鍵詞：電流測量  電流鉗  霍爾效應  電子儀器

　　一、引言

　　夾鉗式電流探頭主要用來提升萬用表、功率計、示波器、手持示波表、記錄儀或記錄器、以及其它各種各樣儀器的電流測量能力，現已得到廣泛使用。電流探頭“鉗圍”載流導體，在不中斷被測電路的情況下，進行非接觸電流測量，它們輸出與被測電流成比例的電壓或電流信號，并且直接傳送到具有低電流或電壓輸入的測試儀器上，通過儀器測量和顯示相應的測量值，進而根據相應的轉換比得出實際的導體通過電流。

　　使用夾鉗式電流探頭測量時，電流的載導電路不用斷開，并且從儀表的輸入端保持電氣絕緣從儀表的輸入端保持電氣絕緣。這樣既方便又安全，會使配套的測量儀表低輸入端是既可以懸浮也可以接地。這種特點使鉗形電流探頭測量電流時，不需要斷開電路，節省了設備來回啟動的寶貴時間。

　　實際電路中電信號一般都不是完全的正弦波，為了保證測量精度和其高頻特性，使用夾鉗式電流探頭時（如E3N），配套的顯示儀表最好為真有效值（Trms）的萬用表（如BM807和OI857）。在大多數情況下，鉗形電流探頭不會限制有效值（rms）測量，但是與它配套的儀器含限制有效值測量。好的鉗形電流探頭內部具有以下良好的特性：高精度、良好的頻率響應和極小的相位偏移。

　　根據測量電流的頻率，鉗形電流探頭根據兩種不同原理，設計出兩種不同的鉗形電流探頭：①交流夾鉗式電流探頭；②交直流夾鉗式電流探頭。

　　二、交流夾鉗式電流探頭的原理和應用

　　交流夾鉗式電流探頭在原理上可以看成一個簡單的電流變壓器（圖1）。圖1中變壓器在磁體上纏繞了兩個基本線圈。電流I1流過初級線圈C1，通過互感，次級線圈C2上產生相應的互感電流I2。這兩個線圈的圈數（匝數）與電流關系的公式如下：N1×I1=N2×I2，其中N1為線圈C1的圈數，N2為線圈C2的圈數，這樣我們可以導出如下公式：

　　圖1  簡易電流變壓器原理圖

　　同理，適用于夾鉗式交流電流探頭（圖2）。夾鉗式交流電流探頭中可以張開的鐵磁體表示為線圈B2，鉗顎口夾住的導體流經電流I1。其中B1是一根簡單的導體，它的線圈匝數N1為1，流經的電流I1是被測電流，這樣電流探頭“鉗圍”導體時，電流探頭內部線圈B2根據其匝數，相比例產生輸出電流I2，即

　　實際工作中，直接測量電流I1常常比較困難，因為電流I1一般較大，不能直接接到儀表上，此時也不可以簡單地斷開電路。為了產生一個能通過相應倍數比例的輸出水平，交流電流探頭內置了特有的探頭線圈架。在鉗形線圈上的匝數，一般方便設計成整數倍（如100、500或1000）。此時如果N2為1000，這樣夾鉗N1/N2的比率為1：1000，在輸出顯示上相應為1000：1的倍數關系。如果從輸入和輸出的電流關系出發，則這個比率可用探頭的輸出關系1mA/A表示，即探頭輸出顯示為1mA時，顎口上流經測量電流為1A，或者顯示為1A時，顎口上流經的測量電流為1000A。

　　圖2  交流夾鉗式電流探頭原理圖

　　有些探頭也可能會使有更大的比率，例如500：5、2000：2、3000：1或者3000：5，這是為了滿足不同領域測試電流的需要。大多數情況下，交流電流探頭一般與數字萬用表（如OI859CF）配套使用。例如當我們使用1000：1的電流探頭，它具有1mA/A的輸出，此時探頭顎口流經的電流，按比例會得到相應的輸出電流結果（表1）：

　　表1 探頭顎口流經電流在1000：1轉化后的輸出電流

　　如果探頭輸出是電流，在連接到萬用表時，萬用表功能應設置到AC電流檔，緊接在萬用表上讀出讀數，同時與倍數比例相乘，就可以實際測出流過導體的電流值。例如萬用表（一般為手持數字萬用表DMM）在200mA量程讀數為150mA，乘上電流探頭轉換比1000：1，在導體上流經的電流值為150mA×1000=150A。

　　交流電流探頭不僅用在萬用表上，還可以用在其它儀器上，例如示波器。只是需要注意以下兩個方面：①電流探頭的輸出是電流還是電壓，譬如示波器只能用帶電壓輸出的交流電流探頭；②儀器輸入阻抗一定要相互匹配（圖3）。帶AC或DC電壓輸出的交流電壓探頭僅僅只能用在具有電壓量程的測試儀器上（如示波器、記錄儀等）（圖4、圖5），此時電流探頭輸出電壓信號（例如MN60、Y4N和D37N），對應的換算倍數比例為mV電壓與電流比，即1mV AC：1A AC。

　　交流夾鉗式電流探頭一般不需要外接電源，其簡單經濟實用，但是電流變壓器內鐵芯飽和時限制了線性電流的范圍，并且無直流輸出，在測量帶有直流成份的電流時會影響測量動態性能，現在已廣泛使用夾鉗式直流電流探頭。

圖3 探頭與儀器阻抗匹配   圖4電流探頭輸出交流電壓信號   圖5 電流探頭輸出直流電壓信號

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