一、電流信號測量思路

本篇文章我們要介紹一些測量電流信號的方法。大家應(yīng)該知道，多數(shù)采集卡都可以直接采集電壓信號。但4～20mA的電流信號也很常見，那么這些電流信號要如何進(jìn)行采集分析呢？基本思路是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺缓笤偈褂貌杉ㄟM(jìn)行相應(yīng)的處理。

我們將說明兩種轉(zhuǎn)換方案，供大家參考。

二、抽樣電阻方案

第一種方案是使用取樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓。這一方案主要利用了歐姆定律，即：U=I*R。

這

在公式中我們已知電阻大小為：R。當(dāng)電流I流過電阻時，就會產(chǎn)生電壓U。而電阻是一種線性元件，這樣電壓的變化就可以反應(yīng)電流的變化了。再使用采集卡采集電壓信號，就完成了對電流信號的采集。關(guān)于歐姆定律具體的表述是：在同一電路中，通過某段導(dǎo)體的電流跟這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟這段導(dǎo)體的電阻成反比。

該定律是由德國物理學(xué)家喬治?西蒙?歐姆提出。

取樣電阻方案在實(shí)際工作中應(yīng)該如何使用呢？

我們以4-20mA的電流信號為例，它是廣泛用于傳感器/變送器領(lǐng)域的一種通用的標(biāo)準(zhǔn)信號。

如果選擇取樣電阻方案，那么取樣電阻的阻值一般為250歐。使用歐姆定律計算一下便知道4-20mA的電流信號就被轉(zhuǎn)換為1-5V的電壓信號。所以在這樣的方案中，電阻是很重要的一個元器件。在選擇電阻時既要考慮到電阻的準(zhǔn)確性，也要考慮到電阻的溫度漂移值。它是指：溫度每變化1度所對應(yīng)的電阻值的變化量，通常用PPM（百萬分之一）/℃為單位。倘若不方便外接電阻，Smacq也提供M2000系列的遠(yuǎn)程AI模塊，該模塊內(nèi)置有120Ω的取樣電阻。不過此模塊只適合與采樣率較低的情況。

再者，我們還要說明一下傳感器、電阻、采集卡之間到底是如何連接的？

4-20mA的傳感器/變送器可分為二線制，三線制和四線制。它們的連接方式如下圖：

首先簡單說明四線制的連接方式：將直流電源的正負(fù)極與傳感器的正負(fù)極相連，將傳感器的正負(fù)輸出端（out+/-）連接到取樣電阻的兩端，將采集卡的任意AI通道與取樣電阻的out+端連接，將采集卡的AI Sense端與取樣電阻的out-端連接。

特別要提到一點(diǎn)，當(dāng)傳感器是二線制時，應(yīng)當(dāng)注意電阻的連接問題，防止電源電流直接進(jìn)入采集卡將采集卡燒壞。在使用二線制接線方式時，可以先測量一下電阻兩端的電壓是否符合采集卡量程，然后再使用采集卡采集傳感器信號。

當(dāng)然，在電流采集場景中還有許多非標(biāo)準(zhǔn)的電流信號需要采集。我們可以粗略地將其分為小電流采集和大電流采集。

由歐姆定律可知，當(dāng)電流較小時，電阻R就要大一些。這樣產(chǎn)生的電壓才能適配采集卡的量程。如果采集環(huán)境要求采樣電阻阻值不能太高時，我們就要選用一些素質(zhì)較好的，能夠測量小電壓的采集設(shè)備進(jìn)行采集。

也可以使用放大器放大電壓信號，比如SRD-1004程控放大器，它的放大倍數(shù)可設(shè)置為10倍，100倍，1000倍。

當(dāng)電流較大時，電阻R就要小一些。這種情況下一般會使用分流器，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴?/p>

分流器其實(shí)就是一個能通過極大電流的阻值很小的電阻，以50A的分流器為例，它可以通過的最大電流是50A，滿量程輸出電壓是75mV。由此可知它相當(dāng)于一個0.0015歐的電阻。因?yàn)榉至髌鬏敵龅碾妷汉苄?，所以我們會使用使用放大器來放大它的信號?/p>

三、電流變送器方案

當(dāng)電阻不方便串入被測回路中時，我們就需要用到第二種方案：使用電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。根?jù)工作原理的不同，電流傳感器有多種分類。

這里我們主要介紹一種霍爾電流傳感器。

霍爾電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)，利用霍爾磁平衡原理實(shí)現(xiàn)對各種類型的電流測量的一種傳感器。

霍爾效應(yīng)是由美國物理學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。

它的具體表述是：當(dāng)電流垂直于外磁場B通過半導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這時垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而使半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，而這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。

在使用霍爾電流傳感器時，在輸入端通入控制電流也就是我們要測量的電流。當(dāng)有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢。霍爾電勢的大小與控制電流和磁通密度的乘積成正比，通過測量霍爾電勢的大小就可以間接測量載流導(dǎo)體電流的大小。這種電流傳感器經(jīng)過了電－磁－電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換，比較安全。但它是一種有源器件，需要外部供電，所以使用上不如取樣電阻方便。

而在一些特殊應(yīng)用中，被測電流的頻率會很高，但是一般的電流傳感器的帶寬只有20k左右，無法滿足高頻率響應(yīng)的要求，這個時候就可以選擇電流探頭。

它的頻率響應(yīng)比較高，可以達(dá)到幾十兆的帶寬，但是電流探頭的使用成本也要高很多。

在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，我們將分別使用電阻和電流傳感器，完成對電流信號的采集。

四、第一組實(shí)驗(yàn)

在這組中，我們會使用取樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：電阻、USB-3123數(shù)據(jù)采集卡、直流電源。

實(shí)驗(yàn)中以直流電源模擬傳感器發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，電阻使用的是高精度低溫漂的阻值為250?的電阻。下面開始連線，首先將電源的正負(fù)極連接到電阻兩端，電源設(shè)置成電流4mA，電壓24V。啟動電源，用萬用表測量電阻兩端的電壓大小，這一步是為了確認(rèn)電阻與電源之間正常連接，防止燒毀采集卡。

關(guān)閉電源后將電阻的正極與采集卡的AI 0相連，將電阻的負(fù)極與采集卡的AI Sense端相連，然后將AI Sense端與AGND相連，最后將采集卡與電腦連接。

打開采集卡軟件，調(diào)整軟件設(shè)置。

選擇單端模式，

勾選AI 0通道，其他設(shè)置均不變。

設(shè)置坐標(biāo)為不自動調(diào)整y標(biāo)尺，

并將標(biāo)尺設(shè)置為-10～10。點(diǎn)擊啟動。

可以看到數(shù)據(jù)此時位于零坐標(biāo)點(diǎn)，

將電源電流調(diào)整至4mA，采集卡采集到的數(shù)據(jù)為1V。

電源電流調(diào)整為20mA，采集到的數(shù)據(jù)則為5V，采集結(jié)果與之前計算的情況一致。

通過取樣電阻我們就可以把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號了。

五、第二組實(shí)驗(yàn)

接著我們要完成的實(shí)驗(yàn)是，使用數(shù)據(jù)采集卡檢測220V、50Hz的交流電信號，做這個實(shí)驗(yàn)的目的是要和開關(guān)電源相連的交流電信號做對比，觀察這兩個交流電信號的波形有何異同。實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備有，功率為50W、阻值為1k?的水泥電阻，額定電流為2A的電流傳感器，USB-3123數(shù)據(jù)采集卡，輸出電壓為±15V的開關(guān)電源。

一起看一下電路是如何搭建的，將水泥電阻與電源直接串聯(lián)，電流通過電阻從電流傳感器的NI+端流入，NI-端流出，電流傳感器副邊的+15V與-15V端口分別于開關(guān)電源的V1端和V2端相連，公共地（0V）端與電源開關(guān)的COM端連接，輸出端（M）與采集卡的Ai0端相連。將Ai Sense端與開關(guān)電源的COM端連接，并且將采集卡的Ai Sense與AGND短接，最后將采集卡與電腦連接。

打開采集卡軟件，連接采集卡后設(shè)置相關(guān)參數(shù)。選擇單端模式，勾選Ai０通道，修改采樣率為10000Sa/s，其它參數(shù)不變。

將縱坐標(biāo)設(shè)置為－５～５，并取消自動調(diào)整縱坐標(biāo)，調(diào)整橫坐標(biāo)為0～100。為開關(guān)電源供電，點(diǎn)擊啟動。

可以看到數(shù)據(jù)在０坐標(biāo)上，為水泥電阻通入交流電后，數(shù)據(jù)在±０.８之間波動。放大畫布可以看到一個明顯的正弦波形。

接下來我們看看電流傳感器是怎樣使用的，需要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：兩個直流電源、兩個電流傳感器、一個水泥電阻和一張數(shù)據(jù)采集卡。

首先說明一下各個器件的參數(shù)及功能，左邊的開關(guān)電源輸出±15V的電壓，它的主要作用是為電流傳感器提供電源；右邊的開關(guān)電源輸出±24V的電壓，它的主要作用是作為測試電流，我們可以看到這個設(shè)備的輸入與輸出，分別與兩個電流傳感器串聯(lián)；下方電流傳感器的額定電流是2A，它測量的是±24V開關(guān)電源設(shè)備的輸入，也就是220V、50Hz的交流電；上方傳感器的額定電流是5A，它測量的是通過水泥電阻的電流；水泥電阻的參數(shù)是：額定功率50W（瓦），阻值12?；采集卡使用的依然是USB-3123數(shù)據(jù)采集卡。

接著我們說明一下各設(shè)備間的連線，電流傳感器的副邊有4個端口分別是：電源正（+15V）、電源負(fù)（-15V）、輸出端（M）、公共地（0V）。我們將電源正端（+15V）與電源V1端連接，將電源負(fù)端（-15V）與電源V2端連接，將輸出端（M）與采集卡的模擬輸入端口（AI）連接，將公共地（0V）與電源的COM端連接。

需要注意的是，實(shí)驗(yàn)中使用了兩個電流傳感器。我們將與交流電連接的電流傳感器的輸出端與采集卡的AI 0端口連接，將與直流24V連接的電流傳感器的輸出端，與采集卡的AI 7端口連接，兩傳感器副邊其他端口的連線都相同。另外，在將電流傳感器串入電路中時，要使用傳感器的原邊，也就是標(biāo)有NI+、NI-的一邊。串聯(lián)時，電流從NI+端流入，NI-端流出。

實(shí)驗(yàn)中的水泥電阻作為負(fù)載使用，直接與開關(guān)電源串聯(lián)。我們可以計算一下這一電路中的電流值，電源輸出電壓24V，電阻12?，所以電路中電流的大小為2A。傳感器的額定電流5A，輸出電壓為5V，所以采集卡采集到的電壓應(yīng)為2V，我們可以看看最后的采集結(jié)果是否相同。

采集卡的連接方式是：將其AI Sense端與供電電源的COM端相連，并將AI Sense端與AGND端短接，以上就是各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連線方式。

下面打開軟件連接采集卡并設(shè)置相關(guān)參數(shù)：選擇單端模式；勾選AI 0和AI 7通道；

采樣率設(shè)置為10000，其他設(shè)置不做修改；將軟件橫坐標(biāo)設(shè)置為0～1000，縱坐標(biāo)設(shè)置為-5～5并取消自動調(diào)整坐標(biāo)。點(diǎn)擊啟動，開關(guān)電源沒有接通時，電流傳感器沒有檢測到電流，采集卡采集值為0。

啟動電源，我們會看到軟件中有波形輸出，

放大波形，可以看到交流電在±3V左右上下波動，直流電則穩(wěn)定在2V，與預(yù)估值一致。

通過與之前實(shí)驗(yàn)中交流電信號的對比，我們能清楚的看到兩個電信號波形間的差別。

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審核編輯 黃宇