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摘 要：根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中電流測(cè)量技術(shù)極少被采用的現(xiàn)狀，提出利用電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行電流測(cè)量的概念，詳細(xì)闡述了一種基于電子束在被測(cè)電流生成的磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理進(jìn)行測(cè)量的非侵入式電流傳感器，并討論了這種電流測(cè)量技術(shù)所面臨的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案。最后提出有關(guān)電流數(shù)據(jù)和其他相關(guān)信號(hào)的分析方法以及電流測(cè)量的意義。
關(guān)鍵詞：電流測(cè)量；電子束偏轉(zhuǎn)；磁場(chǎng)；電流傳感器
1 引 言
自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中通常應(yīng)用電壓測(cè)量來(lái)判定電路故障。實(shí)際工作中，很少使用電流量進(jìn)行檢測(cè)。主要是由于電流檢測(cè)遇到2個(gè)難以解決的問(wèn)題：一是缺少有效的非侵入式電流傳感器；一是介入電流支路中進(jìn)行測(cè)量是比較困難的。傳統(tǒng)的電流測(cè)量是通過(guò)電壓傳感器測(cè)量接入支路中的分路電阻的兩端的壓降，由于需要接入分路電阻，致使測(cè)試過(guò)程非常不方便，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。一些儀器應(yīng)用了一些新技術(shù)，如在VXI／PXI儀器中加入了內(nèi)置式電流傳感器，這類電流傳感器可由軟件控制進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)量。但這些傳感器不能測(cè)量高頻采樣信號(hào)，因而無(wú)法捕獲高速暫態(tài)信號(hào)。為了獲得電流數(shù)據(jù)，需要有無(wú)需介入電路的非侵入式傳感器，另外，也需要有分析電流數(shù)據(jù)和其他相關(guān)測(cè)量信號(hào)的軟件系統(tǒng)。
2 電流傳感器
電流傳感器有霍爾效應(yīng)式、磁致電阻式、電阻式 等。本文介紹的電流傳感器，運(yùn)用的原理是測(cè)量脈沖電子束在由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)量。由于電子質(zhì)量非常小，相應(yīng)使移動(dòng)的電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)所需的力相對(duì)也較小，這使得通過(guò)電子束的偏轉(zhuǎn)測(cè)量小磁場(chǎng)在理論上成為可行。
應(yīng)用磁場(chǎng)使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)在技術(shù)上非常普遍，被廣泛應(yīng)用在電視和計(jì)算機(jī)的陰極射線管式顯示器上。電子束偏轉(zhuǎn)的概念自身并非一種創(chuàng)新，只是未在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是在由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中應(yīng)用。另外，通常產(chǎn)生電子束、控制電子束偏轉(zhuǎn)要求有高電壓、大電流。而高電壓、大電流自身產(chǎn)生相當(dāng)大的磁場(chǎng)和靜態(tài)電場(chǎng)。因而運(yùn)用電子束對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的第一個(gè)技術(shù)上的挑戰(zhàn)是如何運(yùn)用較小的電壓和電流產(chǎn)生電子束。
傳感器系統(tǒng)測(cè)量由一個(gè)低壓光電裝置產(chǎn)生的脈沖電子束的偏轉(zhuǎn)量。
電流傳感器由電子束發(fā)生元件、電子束收集元件及電子束偏轉(zhuǎn)測(cè)量元件組成，如圖1所示。電子束發(fā)生元件包括一個(gè)發(fā)光二極管，通常規(guī)格為2 V，50 mA，120光能。光學(xué)透鏡用于將光電二極管產(chǎn)生的光線聚焦到陰極射線管上，起到增強(qiáng)單位面積上光強(qiáng)的作用。陰極射線管一側(cè)受到發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線的照射，在另一側(cè)發(fā)射電子束。電極環(huán)防止電子束向四周逸散，將之限制成緊密的一束，這是維持測(cè)量精確性的強(qiáng)制性要求。電子束收集元件包括真空腔，在真空腔的內(nèi)壁上保持有微量的負(fù)電勢(shì)，以防止電子束被腔壁吸引。非絕緣式線性電荷耦合裝置腔，用于測(cè)量電子束撞擊傳感器用于感應(yīng)的末端的強(qiáng)度和感應(yīng)點(diǎn)。電荷耦合裝置CCDs用于測(cè)量光子強(qiáng)度，而CCDs被指定為非絕緣的可用于收集電子。收集一個(gè)光子的能量大約為2．14 V，因此電勢(shì)差高于2．14 V的電子束脈沖有足夠的能量以激發(fā)一個(gè)典型的CCDs。CCDs自身的電勢(shì)保持在零電位左右，電勢(shì)的些許變化有有利的一面也有不利的一面，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲得不引起對(duì)電子束產(chǎn)生排斥或是吸引的最佳電勢(shì)。CCDs的頂端在初始時(shí)帶有微量的正電勢(shì)以對(duì)電子束產(chǎn)生吸引對(duì)之加速。
電流測(cè)量：磁場(chǎng)中正電粒子的受力方向可以由“右手定則”來(lái)判斷，相應(yīng)的公式為：
FB＝qv×B
由于電流增加或是更接近被測(cè)電流，將會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，相應(yīng)電子束偏轉(zhuǎn)量就會(huì)增加。由于電子束偏轉(zhuǎn)量增加，被CCDs收集的電子將落在遠(yuǎn)離傳感器頂點(diǎn)的位置。在其他參數(shù)確定的情況下，電流的值即可由傳感器吸收電子束的位置進(jìn)行確定。對(duì)同一測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，即可得到電流的動(dòng)態(tài)值（暫態(tài)信號(hào)），對(duì)電流的暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析，可以獲得許多非常有價(jià)值的新信息，如復(fù)數(shù)域的阻抗等。
3 測(cè)量技術(shù)
非侵入式電流傳感器進(jìn)行電流測(cè)量需要解決的幾個(gè)技術(shù)上的問(wèn)題：
（1）傳感器與被測(cè)電流載體之間距離對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
磁場(chǎng)的強(qiáng)度與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流與傳感器之間的距離成反比。而這個(gè)距離通常是未知且不可測(cè)量的，磁感應(yīng)式傳感器與被測(cè)電流載體（導(dǎo)線、印刷電路板布線、輸出端）之間的相對(duì)位置對(duì)測(cè)量值有很大的影響。為了減少這種影響，在測(cè)量過(guò)程包括測(cè)量步驟和軟件工具兩方面進(jìn)行了嘗試。例如，用戶必須“掃描”電流流經(jīng)的電流載體，用軟件捕獲其最大值。理想情況下，傳感器與被測(cè)對(duì)象之間的距離應(yīng)為0。而在許多實(shí)際情況下，被測(cè)對(duì)象是包裹在絕緣體之中。嘗試的結(jié)果是測(cè)量過(guò)程不能消除只能降低這種影響。但是這里有一個(gè)參數(shù)并不受到距離的影響，這就是測(cè)得的暫態(tài)信號(hào)的“形狀”，暫態(tài)信號(hào)的“形態(tài)”包含了一些信息，如阻尼速率（幅值衰減的速率）、自然頻率（晶體的頻率）。另一種思路是根據(jù)這一距離雖不可測(cè)但可控的特點(diǎn)，可以在一確定的位置建立一個(gè)無(wú)故障電路的電流信息圖像模板，通過(guò)檢測(cè)待測(cè)電路與已知模板的差值以確定電路的工作狀態(tài)。
（2）磁干擾
當(dāng)測(cè)量由被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，傳感器同時(shí)也測(cè)量到一些干擾磁信號(hào)，如地磁，由其他鄰近電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這些干擾磁場(chǎng)必須與實(shí)際想得到的測(cè)量相隔離，在最初的研究中對(duì)磁場(chǎng)干擾的補(bǔ)償做了一些鑒定，這些技術(shù)包括測(cè)量步驟和在遠(yuǎn)離被測(cè)電流載體處放置二級(jí)傳感器以測(cè)量地磁和其他干擾磁場(chǎng)，或?qū)⒉煌膫鞲衅髋浜鲜褂靡韵餐母蓴_。
多點(diǎn)測(cè)試的平均法 某一電流載體所形成的磁場(chǎng)可能與與此電流載體相近的電流載體所形成的磁場(chǎng)相互重迭，利用多點(diǎn)測(cè)試技術(shù)分離電流載體形成的磁場(chǎng)，這一技術(shù)同樣適用于降低噪聲干擾。
可利用這種方法進(jìn)行測(cè)量的硬件是在同一物理結(jié)構(gòu)中的一組電流載體，如電路板上的一組連線，或在電纜中被集約成一體的導(dǎo)線、電纜底座等。如測(cè)量連到一個(gè)14針芯片的一側(cè)的7條連線，這7條連線相互靠近，有重迭的磁場(chǎng)，而任一磁場(chǎng)都可被其他磁場(chǎng)內(nèi)的傳感器測(cè)量到。與待測(cè)連線相近的所有連線的測(cè)量值可用算術(shù)的方法處理以產(chǎn)生共同的噪聲因素，接下來(lái)用算術(shù)的方法將之減去，然后這一磁場(chǎng)的測(cè)量值可通過(guò)平均每一連線測(cè)量值以獲得一個(gè)較精確的值。
測(cè)量軌跡的平均法 軌跡測(cè)量是盡量沿著待測(cè)載體軌跡移動(dòng)傳感器。當(dāng)傳感器在磁場(chǎng)中移動(dòng)，以一定的速率進(jìn)行采樣以獲得充足的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)將被用作識(shí)別磁場(chǎng)噪聲，對(duì)之進(jìn)行平均、快速傅里葉變換或一些其他的方法進(jìn)行處理，以增加傳感器測(cè)量的決議能力和精確性。測(cè)量數(shù)據(jù)收集時(shí)間被限制在當(dāng)傳感器在追蹤待測(cè)電流時(shí)，這只需在傳感器的結(jié)構(gòu)上配置一個(gè)按鈕就可以了。這一技術(shù)結(jié)合多點(diǎn)測(cè)試技術(shù)將磁感應(yīng)技術(shù)引入磁場(chǎng)映射圖的自動(dòng)測(cè)試應(yīng)用中。
4 軟件分析
非侵入式電流傳感器的發(fā)展，使電流的測(cè)量可以獨(dú)立進(jìn)行或與已存在的電壓測(cè)量、電阻測(cè)量和時(shí)間測(cè)量相結(jié)合。這個(gè)過(guò)程包括了一系列以前未被用到的信息和參數(shù)。這個(gè)新的測(cè)量過(guò)程要求使用者了解如何運(yùn)用非侵入式傳感器采集電流信號(hào)，對(duì)他分析。
（1）傅氏變換
傅氏變換是將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)的一種方法。離散傅里葉變換用于采樣數(shù)據(jù)的變換，快速傅里葉變換用于變換連續(xù)信號(hào)。變換的結(jié)果是信號(hào)的功率譜密度，或是與頻率相對(duì)的能量分布，如在譜窗口的每一頻率的功率的大小。功率譜密度包含著電路中元件反應(yīng)的信息。這些信息在建立測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并未被普遍利用。他是一種對(duì)電路元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量和定性分析的強(qiáng)有力的工具。
（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，不受各輸入信號(hào)形式的限制。對(duì)電路中的電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可以獲得一系列不同類型的信號(hào)，如電流電壓的時(shí)間信號(hào)、頻域信號(hào)，阻抗的幅相圖等。測(cè)試信號(hào)在被收集、加工處理之后，輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)具體工作的需要輸出相應(yīng)的結(jié)果。
5 結(jié) 語(yǔ)
當(dāng)前的電路測(cè)試主要依賴于電壓值在測(cè)試點(diǎn)的采集。由于侵入式電流測(cè)量的特點(diǎn)，電流值很少被利用，也難以被利用，這大大降低了系統(tǒng)的可測(cè)性。非侵入式電流傳感器的發(fā)展，使電流的測(cè)量可以獨(dú)立進(jìn)行或與已存在的電壓測(cè)量、電阻測(cè)量和時(shí)間測(cè)量相結(jié)合。這個(gè)過(guò)程包括了一系列以前未被用到的信息和參數(shù)。這個(gè)新的測(cè)量過(guò)程要求使用者了解如何運(yùn)用非侵入式傳感器采集電流信號(hào)，他的缺陷是分析結(jié)果的解釋。電流測(cè)試的理論與技術(shù)都很不完善，有待進(jìn)一步發(fā)展，但已顯現(xiàn)出他的巨大優(yōu)勢(shì)。電壓測(cè)量配合電流測(cè)量顯著地提高了電系統(tǒng)的可測(cè)性和可診斷性，加上用于收集和分析電流信號(hào)的軟件工具的發(fā)展將對(duì)未來(lái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生變革性的影響。
摘自 現(xiàn)代電子技術(shù)
