脈沖電流測量方法分析與比較

張建永，胡耀元，賈云濤，岳偉，張勝強

(北京無線電計量測試研究所，北京100039)

0 引言

隨著核聚變、強激光、粒子加速器、電磁脈沖、能源、環境、醫療等科學技術廣泛應用，脈沖功率技術發展迅速，成為一門新興科技領域。在電力領域中，μs 寬度的104～105A 的脈沖大電流被用于雷電測試實驗等。隨著被測對象的多樣化，所采取的測量方法和系統各種各樣，研究者主要從提高測量對象的電流幅值大小、準確度和響應速度等特性展開各項研究［1-2］。

隨著計算機和信息技術的發展，傳感器廣泛應用于非電量轉換為電量的間接測量中，測量準確度不斷提高。在脈沖大電流測量技術的推動下，測量傳感器開發與高性能化、光電子學技術的引入、提高應付噪聲的對策、計算機數據處理和計量的數字化等技術也在不斷提高和革新［3-4］。

近些年來，隨著新興科學的發展和脈沖電流的廣泛應用，人們在傳統測量方法的基礎上不斷探索研究，創造了如磁光法、霍爾電流法等新的方式。這些方法不介入被測回路，抗干擾能力強，但系統較為復雜，可靠性依賴于磁光、電子等系統的具體性能，實際中多應用于特殊條件下。

1 測量方法

脈沖大電流測量系統有各式各樣的結構，但一般都采用圖1 的測量系統。從被測電流的回路開始，利用傳感器取出與之成比例的電物理量(通常多為電壓)，經過適當的傳送回路(通常為高頻電纜)送到測量儀器上。使用的測量儀器通常有示波器、數字測量儀器、電流計、各種記錄儀等。為了防止噪聲，一般對傳感器、傳送回路、測量儀器采取屏蔽。在大電流測量系統中，傳感器是最重要的器件，測量準確度基本上由其性能決定。

根據國內外測量脈沖大電流過程中所使用傳感器的不同和測定對象的不同，如表1所示，本文將測量方法分為分流器法、Rogowski 線圈法、霍爾電流法、磁光式電流法、法拉第筒法等。

圖1 測量電路

表1 測定對象與測量方法

1.1 分流器法

分流器的本質是利用歐姆定律測量分流器上的電壓和分流器阻值計算得到電流值。為了避免電感和電路中磁的交鏈，脈沖大電流測量多選擇同軸圓筒結構，其圓筒形電阻要盡可能貼近電流回歸電路圓筒形導體，以減小電感，并且要使用電阻率小的薄電阻體，以抑制趨膚效應［5-7］。

圖2 的左端為分流器的被測電流輸入端，右端是到測量儀器的電壓端。

被測脈沖電流從屏蔽內筒流入再從外筒流出。內筒為電阻率高的材料，因為電流流向是對稱的，被測電流的磁場只分布在內外筒之間，減小了電感對測量的影響。另外對稱電流也抵消了應力，使得同軸式分流器結構穩固［8］。

圖2 同軸式分流器

在測量脈沖大電流時，需要消除高頻噪聲。圖3為脈沖大電流測量電路。此時，進入到測量儀器的主要噪聲有:分流到測量電纜屏蔽層的電流所引起的對電纜芯線的感應噪聲(A)、由大電流電路產生的電磁場(B)和由電流浸入到測量儀器的高頻噪聲(C)等。

圖3 分流器測量回路

對于A，可以采用良好的接地(E1)、縮短分流器與接地之間的引線、使用雙重屏蔽的電纜線作為測量電纜等方法。也可以采用將雙重屏蔽電纜放在金屬管中，電纜的內側屏蔽層和測量儀器在屏蔽室不要接地(為安全起見，要設置適當的保護裝置)，整個測量系統都設置銅接地板等方法，可以進一步減小噪聲。

對于B，將分流器和測量儀器充分屏蔽起來是很有效的方法。特別是對于磁核聚變實驗設備等百高斯的漏磁場的屏蔽，高磁導率材料的飽和磁場小，不太適合，有人研究使用非常厚的軟磁鐵心材料。

對于C，則采取通過一級或兩級屏蔽變壓器后接到電源的方法。

分流器法需要接入回路中，會影響系統狀態，有時是不允許的。分流器原理簡單，準確度較高、影響速度快，適合測量低頻小幅值電流。當被測電流增大時，分流電阻消耗功率增加，發熱量大，需要增加分流器的重量和尺寸。另外快速變化的高頻電流使得電感影響不可忽略，趨膚效應使得電流不再均勻分布，測量準確度降低。

1.2 Rogowski 線圈法

Rogowski 線圈結構簡單，能夠實現非接觸測量，容易制成大小和電流靈敏度不同的各種規格，因此在核聚變研究領域測量脈沖大電流時使用最廣。它測量范圍很寬，幅值可從十幾A 到k A，上升時間可從ns到ms。

Rogowski 線圈是根據電磁感應原理和全電流定律計算得到電流相關量值［9-10］。

即當線圈截面S 上磁場均勻分布，線圈在閉合電路C 上均勻繞制，匝數為N，如圖4。則感應電動勢大小e(t)為

圖4 Rogowski 線圈結構示意圖

式中:M 為比例系數，代表了電流路徑和測量線圈之間的互感。

式中:μ 為磁導率，μ=μ0μr;μ0為真空磁導率，μr為相對磁導率。

可得線圈兩端感應電壓與被測電流變化率成正比，即線圈兩端感應電壓和電流對時間的變化率成正比。所以，為了得到與感應電流成正比的信號，就必須進行積分，通常以無源的LR 或RC 四端網絡作積分器。RL 積分型上升沿時間短，僅為1 ns 左右，由于衰減時間常數小，所以被用于測量高速短時間脈沖電流。RC積分型可選擇不同的RC 常數獲得不同特性，一般用于μs ～ms 的脈沖電流測量。

Rogowski 線圈的測量準確度為±3%左右，但積分電路設置DC 放大器，經偏移量和漂移量補償后可實現高準確度化。Rogowski 線圈電流測量范圍可從幾A 到數百k A，頻帶達到MHz，與被測電流無直接連接，但其易受外部磁場干擾，準確度較低。

1.3 霍爾電流法

霍爾電流傳感器是利用被測電流產生磁場大小實現對脈沖電流的測量。

霍爾元件是一種半導體薄片，如圖5所示，其通過橫向電流ⅠC，磁場B 垂直于霍爾元件，電荷在洛侖茲力作用下在上下兩端不斷積累，元件一端為正電荷，另一端為負電荷，它們之間的電勢即為霍爾電勢?；魻栯妱菖c電流大小和磁感應強度成正比?；魻栐臏囟绕坪涂煽啃允怯绊憸y量準確度的主要因素［11］。

圖5 霍爾效應示意圖

霍爾電流法適合低頻任意波形的測量，在工業現場多用來測量幾百A 的電流?；魻栯娏鱾鞲衅鞫加需F芯，適合測量范圍窄，體積大且質量重?；魻栯娏鞣ㄊ荏w積和測量準確度影響，只適合于測量低頻小幅值電流。

1.4 磁光式電流法

磁光式電流法利用了磁光材料的磁光效應，具有響應快、絕緣性能好、抗電磁干擾性能強等特點［12-13］。傳統的測量電流方法需要采用高頻同軸電纜，可能引入干擾或高壓，影響測量準確度。磁光式電流法是一種無源電流檢測法，以光纖來傳輸信息，而光纖是用石英等材料制成的，其絕緣性能好，不會拾取雜散電磁場的干擾，對被測電流的影響非常小。

圖6 為磁光式電流法的構成圖，其用磁光玻璃(具有磁光效應的玻璃)作為傳感單元，當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光玻璃時，線偏振光的偏振面會在平行于光線方向的磁場作用下旋轉。根據磁光效應和安培定律可知，偏振面旋轉的角度θ 和產生磁場的電流Ⅰ間有如下關系:

圖6 磁光式電流傳感器的構成

式中:V，K 為常數。由公式(3)可知，角度θ 和被測電流Ⅰ成正比，通過檢測偏振光偏振面偏振角度的變化，就可間接測量出被測導體中的電流值。

磁光式電流法頻帶寬、抗干擾能力強、體積小、絕緣好，但是長時間使用穩定性差、溫度漂移大，使用范圍不是很廣。它適合測量單次高壓脈沖電流，測量脈沖電流幅值小時準確度高，脈沖電流幅值很大時不再適用。

1.5 法拉第筒法

用法拉第筒直接測量電子束流是脈沖功率技術常用的一種測量方法。法拉第筒是一種電荷收集器，被測量的電子束穿過二極管陽極入射到法拉第筒收集體中，與收集體物質發生電力相互作用而被阻止時，產生激勵電流。當此電流流經一種低感小電阻時，電阻上產生正比于電流的瞬時電位。用示波器記錄下此信號，就可推算出所測量的電子束流的強度［14-15］。對法拉第筒測量電子束流的要求是:收集體的收集率高，測量準確，由同軸電阻等組成的電流回路電感要小，而且還需具有良好的導電性等。

圖7 是法拉第筒結構示意圖，它由石墨收集體、測量電阻、接地系統三部分組成。為了減小接地系統的電感，一般接地體都做成盤式結構。測量時將法拉第筒置于陽極箔正后方。

圖7 法拉第筒結構示意圖

法拉第筒法適合測量電子束流，能有效屏蔽電力束流產生的電磁波、X 射線、γ 射線及中子射線。

我國西北核技術研究所的閃光-Ⅱ加速器的測量裝置為法拉第筒。法拉第筒選擇升華能量大、后方反射系數小的石墨，選擇電阻箔厚度為0.01 mm 的不銹鋼箔;絕緣材料選擇兩層厚度各為0.03 mm 的聚四氟乙烯薄膜;電阻襯筒為外徑30 cm、內徑28.4 cm 的黃銅筒;同軸電阻長度為6 cm。計算得到電阻為4.90 mΩ，電感值為4.8 pH，電容值為18.6 nF，上升時間為1 ns，測量準確度為2%。

2 測量方法比較

綜合以上討論，本文將目前常用的脈沖電流測量法的適合電流和優缺點進行了比較，如表2所示。

表2 脈沖電流測量法比較

3 結束語

脈沖電流測量對于脈沖功率技術研究保證設備安全、提高脈沖功率研究水平具有關鍵作用。本文介紹了幾種脈沖電流測量方法，并對其測量原理、適用條件、測量準確度等做了介紹與比較。每種測量方法都有一定的優缺點和適用場合，在工作中可根據需求選用一種或幾種比較測量。采用計算機處理數據、提高應對電磁干擾對策、開發新型傳感器、引入新技術提高測量準確度等一直是脈沖電流測量領域的研究方向。本文提出的分流器法，測量結果準確穩定，可作為標準類儀器使用，但目前高頻和大電流限制了其測量范圍，需要進一步研究，以促進脈沖電流校準技術的發展。

［1］韓旻，鄒曉兵，張貴新.脈沖功率技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2010:145-176.

［2］葉石華.脈沖電流測量及其運用研究［J］.科技創新導報，2010(5):71.

［3］曾正華.脈沖大電流測試技術研究［D］.南京理工大學，2006:23-25.

［4］張德會.脈沖電流測量的研究［D］.華中科技大學，2007:8-62.

［5］Jeremy A，Schaeffer，Lea-Der Chen，etc.Shunt current calculation of fuel cell stack using Simulink-R［J］.Journal of Power Sources，2008，182(2):599-602.

［6］鄭錦秀，童欣.一元線性回歸方程在大電流分流器測量中的應用［J］.計測技術，2009，29(5):17-19.

［7］Shengyi Liu，Roger A.Dougal，Eugene V.Solodovnik.Maximum Power Tracking and Pulse-Width-Modulated Shunt for Satellite Power Systems［J］.Journal of Propulsion and Power，2004，20(5):911-918.

［8］I P Shcherbakov，S D Samuilov，Yu.N.Bocharov.A Unit for Measuring the Electrical Current in Complex(Including Coaxial)Circuit Sections［J］.Instruments and Experimental Techniques，2009，52(2):207-208.

［9］李紅梅，邱景輝，林澍.脈沖電流測量線圈的理論分析與實驗研究［J］.電子測量與儀器學報，2004，25(4):386-389.

［10］王冰，王端，宋耀東，等.小型化脈沖電流測量線圈的設計［J］.電子世界，2014(9):136-137.

［11］Togawa，Sanbonsugi，Lapicki.High-sensitivity In Sb thin-film micro-Hall sensor arrays for simultaneous multiple detection of magnetic beads for biomedical applications［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(10):3661-3663.

［12］馬仙云，蘇進喜，吳維韓，等.磁光式光電電流互感器幅值精確度的研究［J］.清華大學學報(自然科學版)，1997，37(4):89-92.

［13］朱衛安，劉國瑛，候鑫瑞，等.基于法拉第磁光效應的大電流測量技術［J］.電焊機，2014，44(1):22-25.

［14］LIN Min，SU Dan，CHEN Yi-zhen，etc.Study on Calibration of Proton Absorbed Dose of Alanine With Faraday Cup［J］.Annual Report of China Institute of Atomic Energy，2009(1):249-250.

［15］何小平，石磊，張嘉生，等.用偏壓法拉第筒測量強流脈沖離子束［J］.強激光與粒子束，2000，12(6):753-755.