刘淑芝 空军工程大学工程学院
摘 要：根据自动检测系统中电流测量技术极少被采用的现状，提出利用电流产生的磁场进行电流测量的概念，详细阐述了一种基于电子束在被测电流生成的磁场中发生偏转的原理进行测量的非侵入式电流传感器，并讨论了这种电流测量技术所面临的问题，提出了相应的解决方案。最后提出有关电流数据和其他相关信号的分析方法以及电流测量的意义。
关键词：电流测量；电子束偏转；磁场；电流传感器
1 引 言
自动检测系统中通常应用电压测量来判定电路故障。实际工作中，很少使用电流量进行检测。主要是由于电流检测遇到2个难以解决的问题：一是缺少有效的非侵入式电流传感器；一是介入电流支路中进行测量是比较困难的。传统的电流测量是通过电压传感器测量接入支路中的分路电阻的两端的压降，由于需要接入分路电阻，致使测试过程非常不方便，难以实现自动化。一些仪器应用了一些新技术，如在VXI／PXI仪器中加入了内置式电流传感器，这类电流传感器可由软件控制进行稳态测量。但这些传感器不能测量高频采样信号，因而无法捕获高速暂态信号。为了获得电流数据，需要有无需介入电路的非侵入式传感器，另外，也需要有分析电流数据和其他相关测量信号的软件系统。
2 电流传感器
电流传感器有霍尔效应式、磁致电阻式、电阻式 等。本文介绍的电流传感器，运用的原理是测量脉冲电子束在由电流产生的磁场中的偏转量。由于电子质量非常小，相应使移动的电子束发生偏转所需的力相对也较小，这使得通过电子束的偏转测量小磁场在理论上成为可行。
应用磁场使电子束发生偏转在技术上非常普遍，被广泛应用在电视和计算机的阴极射线管式显示器上。电子束偏转的概念自身并非一种创新，只是未在磁场测量领域被广泛应用，特别是在由电流产生的磁场中应用。另外，通常产生电子束、控制电子束偏转要求有高电压、大电流。而高电压、大电流自身产生相当大的磁场和静态电场。因而运用电子束对磁场进行测量的第一个技术上的挑战是如何运用较小的电压和电流产生电子束。
传感器系统测量由一个低压光电装置产生的脉冲电子束的偏转量。
电流传感器由电子束发生元件、电子束收集元件及电子束偏转测量元件组成，如图1所示。电子束发生元件包括一个发光二极管，通常规格为2 V，50 mA，120光能。光学透镜用于将光电二极管产生的光线聚焦到阴极射线管上，起到增强单位面积上光强的作用。阴极射线管一侧受到发光二极管产生的光线的照射，在另一侧发射电子束。电极环防止电子束向四周逸散，将之限制成紧密的一束，这是维持测量精确性的强制性要求。电子束收集元件包括真空腔，在真空腔的内壁上保持有微量的负电势，以防止电子束被腔壁吸引。非绝缘式线性电荷耦合装置腔，用于测量电子束撞击传感器用于感应的末端的强度和感应点。电荷耦合装置CCDs用于测量光子强度，而CCDs被指定为非绝缘的可用于收集电子。收集一个光子的能量大约为2．14 V，因此电势差高于2．14 V的电子束脉冲有足够的能量以激发一个典型的CCDs。CCDs自身的电势保持在零电位左右，电势的些许变化有有利的一面也有不利的一面，可以通过实验的方法获得不引起对电子束产生排斥或是吸引的最佳电势。CCDs的顶端在初始时带有微量的正电势以对电子束产生吸引对之加速。
电流测量：磁场中正电粒子的受力方向可以由“右手定则”来判断，相应的公式为：
FB＝qv×B
由于电流增加或是更接近被测电流，将会导致磁场强度增加，相应电子束偏转量就会增加。由于电子束偏转量增加，被CCDs收集的电子将落在远离传感器顶点的位置。在其他参数确定的情况下，电流的值即可由传感器吸收电子束的位置进行确定。对同一测试点进行连续测量，即可得到电流的动态值（暂态信号），对电流的暂态信号进行分析，可以获得许多非常有价值的新信息，如复数域的阻抗等。
3 测量技术
非侵入式电流传感器进行电流测量需要解决的几个技术上的问题：
（1）传感器与被测电流载体之间距离对测量结果的影响
磁场的强度与产生磁场的电流与传感器之间的距离成反比。而这个距离通常是未知且不可测量的，磁感应式传感器与被测电流载体（导线、印刷电路板布线、输出端）之间的相对位置对测量值有很大的影响。为了减少这种影响，在测量过程包括测量步骤和软件工具两方面进行了尝试。例如，用户必须“扫描”电流流经的电流载体，用软件捕获其最大值。理想情况下，传感器与被测对象之间的距离应为0。而在许多实际情况下，被测对象是包裹在绝缘体之中。尝试的结果是测量过程不能消除只能降低这种影响。但是这里有一个参数并不受到距离的影响，这就是测得的暂态信号的“形状”，暂态信号的“形态”包含了一些信息，如阻尼速率（幅值衰减的速率）、自然频率（晶体的频率）。另一种思路是根据这一距离虽不可测但可控的特点，可以在一确定的位置建立一个无故障电路的电流信息图像模板，通过检测待测电路与已知模板的差值以确定电路的工作状态。
（2）磁干扰
当测量由被测电流产生的磁场时，传感器同时也测量到一些干扰磁信号，如地磁，由其他邻近电流产生的磁场。这些干扰磁场必须与实际想得到的测量相隔离，在最初的研究中对磁场干扰的补偿做了一些鉴定，这些技术包括测量步骤和在远离被测电流载体处放置二级传感器以测量地磁和其他干扰磁场，或将不同的传感器配合使用以消除共同的干扰。
多点测试的平均法 某一电流载体所形成的磁场可能与与此电流载体相近的电流载体所形成的磁场相互重迭，利用多点测试技术分离电流载体形成的磁场，这一技术同样适用于降低噪声干扰。
可利用这种方法进行测量的硬件是在同一物理结构中的一组电流载体，如电路板上的一组连线，或在电缆中被集约成一体的导线、电缆底座等。如测量连到一个14针芯片的一侧的7条连线，这7条连线相互靠近，有重迭的磁场，而任一磁场都可被其他磁场内的传感器测量到。与待测连线相近的所有连线的测量值可用算术的方法处理以产生共同的噪声因素，接下来用算术的方法将之减去，然后这一磁场的测量值可通过平均每一连线测量值以获得一个较精确的值。
测量轨迹的平均法 轨迹测量是尽量沿着待测载体轨迹移动传感器。当传感器在磁场中移动，以一定的速率进行采样以获得充足的数据点，这些数据将被用作识别磁场噪声，对之进行平均、快速傅里叶变换或一些其他的方法进行处理，以增加传感器测量的决议能力和精确性。测量数据收集时间被限制在当传感器在追踪待测电流时，这只需在传感器的结构上配置一个按钮就可以了。这一技术结合多点测试技术将磁感应技术引入磁场映射图的自动测试应用中。
4 软件分析
非侵入式电流传感器的发展，使电流的测量可以独立进行或与已存在的电压测量、电阻测量和时间测量相结合。这个过程包括了一系列以前未被用到的信息和参数。这个新的测量过程要求使用者了解如何运用非侵入式传感器采集电流信号，对他分析。
（1）傅氏变换
傅氏变换是将时域信号变换为频域信号的一种方法。离散傅里叶变换用于采样数据的变换，快速傅里叶变换用于变换连续信号。变换的结果是信号的功率谱密度，或是与频率相对的能量分布，如在谱窗口的每一频率的功率的大小。功率谱密度包含着电路中元件反应的信息。这些信息在建立测试标准并未被普遍利用。他是一种对电路元件进行动态定量和定性分析的强有力的工具。
（2）神经网络分析
神经网络对信号进行处理，不受各输入信号形式的限制。对电路中的电流信号进行测量，可以获得一系列不同类型的信号，如电流电压的时间信号、频域信号，阻抗的幅相图等。测试信号在被收集、加工处理之后，输入神经网络中对各种信号进行分析，神经网络会根据具体工作的需要输出相应的结果。
5 结 语
当前的电路测试主要依赖于电压值在测试点的采集。由于侵入式电流测量的特点，电流值很少被利用，也难以被利用，这大大降低了系统的可测性。非侵入式电流传感器的发展，使电流的测量可以独立进行或与已存在的电压测量、电阻测量和时间测量相结合。这个过程包括了一系列以前未被用到的信息和参数。这个新的测量过程要求使用者了解如何运用非侵入式传感器采集电流信号，他的缺陷是分析结果的解释。电流测试的理论与技术都很不完善，有待进一步发展，但已显现出他的巨大优势。电压测量配合电流测量显著地提高了电系统的可测性和可诊断性，加上用于收集和分析电流信号的软件工具的发展将对未来自动测试系统产生变革性的影响。
摘自 现代电子技术
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