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(huán)境、醫(yī)療等科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用，脈沖功率技術(shù)發(fā)展迅速，成為一門新興科技領(lǐng)域。在電力領(lǐng)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(tǒng)各種各樣，研究者主要從提高測量對象的電流幅值大小、準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度等特性展開各項研究［1-2］。

隨著計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器廣泛應(yīng)用于非電量轉(zhuǎn)換為電量的間接測量中，測量準(zhǔn)確度不斷提高。在脈沖大電流測量技術(shù)的推動下，測量傳感器開發(fā)與高性能化、光電子學(xué)技術(shù)的引入、提高應(yīng)付噪聲的對策、計算機數(shù)據(jù)處理和計量的數(shù)字化等技術(shù)也在不斷提高和革新［3-4］。

近些年來，隨著新興科學(xué)的發(fā)展和脈沖電流的廣泛應(yīng)用，人們在傳統(tǒng)測量方法的基礎(chǔ)上不斷探索研究，創(chuàng)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(tǒng)較為復(fù)雜，可靠性依賴于磁光、電子等系統(tǒng)的具體性能，實際中多應(yīng)用于特殊條件下。

1 測量方法

脈沖大電流測量系統(tǒng)有各式各樣的結(jié)構(gòu)，但一般都采用圖1 的測量系統(tǒng)。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(jīng)過適當(dāng)?shù)膫魉突芈?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(shù)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(tǒng)中，傳感器是最重要的器件，測量準(zhǔn)確度基本上由其性能決定。

根據(jù)國內(nèi)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(zhì)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(jié)構(gòu)，其圓筒形電阻要盡可能貼近電流回歸電路圓筒形導(dǎo)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(yīng)［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(nèi)筒流入再從外筒流出。內(nèi)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(nèi)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(yīng)力，使得同軸式分流器結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yīng)噪聲(A)、由大電流電路產(chǎn)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(nèi)側(cè)屏蔽層和測量儀器在屏蔽室不要接地(為安全起見，要設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo裝置)，整個測量系統(tǒng)都設(shè)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(shè)備等百高斯的漏磁場的屏蔽，高磁導(dǎo)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(tǒng)狀態(tài)，有時是不允許的。分流器原理簡單，準(zhǔn)確度較高、影響速度快，適合測量低頻小幅值電流。當(dāng)被測電流增大時，分流電阻消耗功率增加，發(fā)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(yīng)使得電流不再均勻分布，測量準(zhǔn)確度降低。

1.2 Rogowski 線圈法

Rogowski 線圈結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測量，容易制成大小和電流靈敏度不同的各種規(guī)格，因此在核聚變研究領(lǐng)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(jù)電磁感應(yīng)原理和全電流定律計算得到電流相關(guān)量值［9-10］。

即當(dāng)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(shù)為N，如圖4。則感應(yīng)電動勢大小e(t)為

圖4 Rogowski 線圈結(jié)構(gòu)示意圖

式中:M 為比例系數(shù)，代表了電流路徑和測量線圈之間的互感。

式中:μ 為磁導(dǎo)率，μ=μ0μr;μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對磁導(dǎo)率。

可得線圈兩端感應(yīng)電壓與被測電流變化率成正比，即線圈兩端感應(yīng)電壓和電流對時間的變化率成正比。所以，為了得到與感應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)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(zhǔn)確度為±3%左右，但積分電路設(shè)置DC 放大器，經(jīng)偏移量和漂移量補償后可實現(xiàn)高準(zhǔn)確度化。Rogowski 線圈電流測量范圍可從幾A 到數(shù)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(zhǔn)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(chǎn)生磁場大小實現(xiàn)對脈沖電流的測量。

霍爾元件是一種半導(dǎo)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(yīng)強度成正比。霍爾元件的溫度漂移和可靠性是影響測量準(zhǔn)確度的主要因素［11］。

圖5 霍爾效應(yīng)示意圖

霍爾電流法適合低頻任意波形的測量，在工業(yè)現(xiàn)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(zhì)量重。霍爾電流法受體積和測量準(zhǔn)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(yīng)，具有響應(yīng)快、絕緣性能好、抗電磁干擾性能強等特點［12-13］。傳統(tǒng)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(zhǔn)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(gòu)成圖，其用磁光玻璃(具有磁光效應(yīng)的玻璃)作為傳感單元，當(dāng)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(zhuǎn)。根據(jù)磁光效應(yīng)和安培定律可知，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度θ 和產(chǎn)生磁場的電流Ⅰ間有如下關(guān)系:

圖6 磁光式電流傳感器的構(gòu)成

式中:V，K 為常數(shù)。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(dǎo)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(wěn)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(zhǔn)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(shù)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(zhì)發(fā)生電力相互作用而被阻止時，產(chǎn)生激勵電流。當(dāng)此電流流經(jīng)一種低感小電阻時，電阻上產(chǎn)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(zhǔn)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(dǎo)電性等。

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

圖7 法拉第筒結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的電磁波、X 射線、γ 射線及中子射線。

我國西北核技術(shù)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(shù)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(nèi)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(zhǔn)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(yōu)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(jié)束語

脈沖電流測量對于脈沖功率技術(shù)研究保證設(shè)備安全、提高脈沖功率研究水平具有關(guān)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(zhǔn)確度等做了介紹與比較。每種測量方法都有一定的優(yōu)缺點和適用場合，在工作中可根據(jù)需求選用一種或幾種比較測量。采用計算機處理數(shù)據(jù)、提高應(yīng)對電磁干擾對策、開發(fā)新型傳感器、引入新技術(shù)提高測量準(zhǔn)確度等一直是脈沖電流測量領(lǐng)域的研究方向。本文提出的分流器法，測量結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，可作為標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展。

［1］韓旻，鄒曉兵，張貴新.脈沖功率技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)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(chuàng)新導(dǎo)報，2010(5):71.

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

［4］張德會.脈沖電流測量的研究［D］.華中科技大學(xué)，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(yīng)用［J］.計測技術(shù)，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(xué)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(shè)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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1997，37(4):89-92.

［13］朱衛(wèi)安，劉國瑛，候鑫瑞，等.基于法拉第磁光效應(yīng)的大電流測量技術(shù)［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.