电流检测探头工作原理及性能测量方法

冯桂山，区健昌，郭晋伟，杨婉，周阔

（北京泰派斯特电子技术有限公司，北京 100043）

引言

大部分电磁干扰信号都与导线或电缆中携带的干扰电流有关。这些线缆可以等效成环形天线和偶极子天线，起到接收和发射信号的作用。此外，电缆还能为传导电磁干扰提供耦合途径，从而成为传导发射和辐射发射的重要影响因素[1-4]。

电磁兼容测量能够对电磁干扰进行探测。其中，测量设备电缆上的辐射信号叫传导发射测量；向设备电缆上施加一定强度的信号来考核设备的抗干扰能力叫传导敏感度测量。无论是测量电缆上的干扰还是向电缆上注入干扰，都需要一种耦合装置，这个装置通常称为电流探头（或称为电流卡钳）。

电流探头又可分为电流检测探头和电流注入探头。电流检测探头用作传导发射测量，即测量导线或电缆上的电磁干扰；电流注入探头用作传导敏感度测量，即向电缆上注入强干扰信号，考核设备的抗干扰能力，其基于的技术简称为BCI（Bulk Current Injection）技术。电流检测探头主要性能指标有：传输阻抗、最大电源电流、最大RF连续波电流、最大脉冲电流、探头屏蔽性能、驻波、输出负载阻抗、工作温度、磁芯温度等[5-7]。

本文研究电流检测探头。首先介绍其工作原理；其次分析电流检测探头对被测电路的影响；最后以传输阻抗、最大电源电流、最大RF连续波电流、探头屏蔽性能这四种主要性能指标为例，介绍电流检测探头的性能测量方法。

1 电流检测探头工作原理

本章介绍电流探头的工作原理、结构形式等，接着分析电流检测探头的等效原理、结构形式、等效电路、物理机理等。

1.1 电流探头构成

电流探头的工作原理和结构比较简单，但要制作出高性能的电流探头可不是那么容易，其性能与磁芯材料、结构、装配工艺等有关，分布参数对高频影响严重。电流检测探头要满足宽的工作频率范围、高灵敏度、宽平坦度的频率响应、较高的屏蔽性能、宽的温度系数范围和比较高的磁饱和点等要求。

电流探头有三种结构形式：环形开口钳式、环形固定窗口式和平面形（面电流探头）。

环形开口钳式电流探头可以张开口，将被测导线/电缆卡住，构成闭合环路进行测量。

环形固定窗口式电流探头一般用在特殊场合，如电流探头不常活动的地方。

平面形电流探头是为测量金属面上的电流而设计的面电流探头。测量时，将其放在被测导体面上。它可以测量导弹、飞机、船舶、车辆等导体表面上的RF电流。在蒙皮面上移动电流探头，能测出蒙皮面上耦合干扰信号电流的强度和电流的流向。

在电磁兼容测量中大量使用的是环形开口钳式电流探头。

电流探头实质上是一个R F变压器，它在一个高磁导率磁环上绕N 匝线圈作为RF变压器的一级。当电流探头被用作检测导线/电缆上的干扰电流时，被测导线/电缆则是变压器的初级，环上的线圈则是变压器的次级；当电流探头作为测量传导敏感度的注入探头时，环上的线圈则是变压器的初级，被测导线/电缆则是变压器的次级。电流探头的工作频率从几十Hz至几GHz。

1.2 电流检测原理

1.2.1 等效原理与结构形式

图1所示是电流检测探头等效原理图。使用时，将探头卡在电缆上，探头与被测电缆不接触，一般情况下探头不会改变被测电路的正常工作。被测电缆上的信号在电流检测探头的线圈上感应出电流，在接收机的输入阻抗（50 Ω）上产生压降。感应电压的大小正比于磁环的磁导率、环截面积、线圈的匝数以及被测电缆中的电流和频率。用传输阻抗（或称转移阻抗）ZT来描述电流检测探头的特性。

图1 电流检测探头等效原理图

图2 环形开口钳式电流检测探头结构形式

为防止环境电磁场对被测信号的影响，电流检测探头需要有一定的屏蔽能力，在探头外面要加法拉第屏蔽罩，以防止外界电磁干扰和静电耦合的影响，同时减小初次级之间的寄生电容，提高电流检测探头的工作频率。为了保证初次级之间的耦合，把被测电缆中干扰信号产生的磁场耦合到探头的线圈中，但不能全部屏蔽，因此在屏蔽外壳内侧要留有一定宽度的缝隙。缝隙的大小不但影响屏蔽性能，而且影响探头线圈与被测电缆之间的耦合能力，还影响初次级漏感La、Lb，以致影响探头的高频性能。图2所示是环形开口钳式电流检测探头的结构形式。

1.2.2 等效电路

电流检测探头等效电路如图3所示。其中，

La、Lb—初次级漏感；

Ra、Rb—初次级电阻；

Lm—励磁电感；

Rm—磁芯损耗；

Rin—接收机内阻；

VL—探头输出电压（接收机测量的电压）；

1:n—探头匝比。

图3 电流检测探头等效电路

1.2.3 物理机理

可以把电流检测探头看成二端口网络，其传输阻抗ZT就反映了被测电流与电流检测探头的输出电压VL之间的数量关系：

其中，

VL—探头在负载上的输出电压（接收机测量的电压）；

I—被测电缆上的电流；

ZT—传输阻抗。

一般地，次级电阻Rb、磁芯损耗Rm与接收机内阻Rin相比很小，可以忽略，因此式(1)化为

① 当频率低时，ω(Lb+Lm)＜＜Rin，式(2)可化简为

可见ZT与频率f 成正比。这说明在低频端，电流检测探头的传输阻抗随频率的增加而线性增加。

② 随着频率的增加，Rin＜＜ω(Lb+Lm)，式(2)可化简为

可见ZT是恒定值，与频率f无关。

③ 频率继续增加，则磁芯损耗Rm增加，当ωLb＞＞Rb且ωLb＞＞Rin时，则传输阻抗可以表示为

随着频率继续增加，磁芯损耗Rm、漏感和绕线分布电容都增加，此时传输阻抗又要下降。电流检测探头典型传输阻抗曲线如图4所示。

图4 电流检测探头典型传输阻抗曲线

电感的分布电容起等效并联电容的作用，会导致在某个频率发生并联谐振。探头工作频率的上限由其固有谐振频率决定。电路谐振不可避免，为拓宽工作频率范围，应该设法提高谐振频率，使其超过探头的最高工作频率。

探头线圈谐振频率与环路的励磁电感、漏感Lb和寄生电容C等有关，即

其中，

f0—谐振频率；

Lm—励磁电感；

Lb—漏感；

C—寄生电容。

图5所示为探头线圈电感与分布电容产生的并联谐振曲线随频率的变化特性，图6所示为探头线圈间的分布电容。当频率逐渐增加时，插入损耗也逐渐增加；当频率再增加达到某个值时，发生谐振，在谐振点形成一个拐点，而后插入损耗又逐渐减小。分布电容大小不同，其拐点的频率也不同，分布电容越小，拐点频率越高。可见小的分布电容能拓宽电流检测探头工作频率范围。

图5 探头线圈电感的插入损耗频率特性

图6 探头线圈间的分布电容

2 电流检测探头对被测电路的影响

在使用电流检测探头时，应该注意探头对被测电路可能产生的影响。

（1）反射阻抗的影响。电流检测探头卡在被测电缆上，对被测电缆可能有影响。电流检测探头的次级阻抗会反射到初级，相当于在被测电缆中插入一个阻抗，插入的阻抗越大，对被测电路的影响越大。为减小该反射阻抗对被测电路的影响，应该减小漏感La、Lb及分布电容，使反射阻抗小于电路源阻抗和被测电路的负载阻抗之和。

（2）磁芯饱和的影响。当电流检测探头初次级线圈中流过很强的DC或AC时，磁芯能产生饱和，使磁芯磁导率急剧降低，电感失去作用，轻者探头的感应电压下降，引起测量误差，严重了甚至烧毁测量设备，引起严重事故。

（3）电源频率调制特性的影响。被测电缆中一般有比较大的50 Hz或400 Hz工作电源电流信号，同时电缆中还有被测设备产生的RF干扰信号，这两个信号能产生幅度调制，被调制的RF干扰信号的振幅能随着50 Hz或400 Hz调制信号的幅度变化而变化，这将引起测量误差。同时，很强的50 Hz或400 Hz电源电流信号会在探头上产生很大的电压，这也可能烧毁测量设备输入电路。

对强电源电流对电流检测探头产生的影响进行实验分析。图7是实验框图，图8～图10是用SDS8102示波器测量的电流检测探头接收信号随电源电流增加的时域波形和对应的频域波形。调整可调电源变压器，使50 Hz电源电流逐渐增加（用钳式电流表监视），电流检测探头的磁芯逐渐趋于饱和，在示波器上可以看到正弦信号波形逐渐失真。用示波器的FFT频谱功能测量其频谱，可见随着50 Hz电源电流的增加，各次谐波幅度也升高。

3 电流检测探头性能测量方法

电流检测探头主要性能指标有[5-7]：1）传输阻抗；2）最大电源电流；3）最大RF连续波电流；4）最大脉冲电流；5）探头屏蔽性能；6）驻波；7）输出负载阻抗；8）工作温度；9）磁芯温度；10）其他。

图7 电源电流对电流检测探头的影响实验框图

图8 电源电流为10 A时电流检测探头测量的正弦波及频谱

图9 电源电流为20 A时电流检测探头测量的正弦波及频谱

图10 电源电流为50 A时电流检测探头测量的正弦波及频谱

为了安全正确地使用电流检测探头，使用者必须选用符合要求的探头。对于电流检测探头的上述主要性能指标，除了传输阻抗ZT有测量方法外，其他性能指标的测量方法还尚无有关资料，国外的电流检测探头说明书上也只有指标，没有测量方法。为了更深入地了解我们使用的电流检测探头的主要性能指标，可以用下面几种方法进行测量。这些测量方法简单、容易实现。

3.1 传输阻抗测量方法

传输阻抗ZT的校准思路：把被校电流检测探头置于专用的校准装置中。校准装置是一段具有50Ω特性的变形同轴线。将被校电流检测探头卡到校准装置的中心导体上。

电流检测探头传输阻抗校准原理如图11 所示。把电流检测探头看成二端网络，即

在图11中，

V1—负载电阻R上电压；

V2—电流检测探头在5 0 Ω 频谱仪上接收的电压；

I—被测电缆中的电流；

Rin—源内阻。

因为

所以

式(10)用dB表示为

传输阻抗ZT的校准方法：

（1）按图12（a），将被校电流检测探头卡到校准装置的中心导体上，并端接50Ω匹配负载，校准装置一端接信号源，另一端接50Ω频谱仪；

图11 电流检测探头传输阻抗校准原理

（2）调整信号源的频率和幅度，使接收机能够测得一个合适的电压值V1；

（3）保持信号源的频率和幅度不变，将接收机和50 Ω负载交换位置，如图12（b）所示，测得电流卡钳上的电压值V2；

（4）按式(11)计算ZT；

（5）改变信号源的频率，重复上面步骤，即可测出电流卡钳不同频率的传输阻抗并校准。

3.2 最大电源电流测量方法

为了使电流检测探头不发生饱和，保证测量数据准确，需要规定容许被测电缆流过的最大电源电流。

测量设备：

（1）电能质量分析仪：HIOKI 3196；

（2）频谱仪：RIGOL DSA 815；

（3）信号源：RIGOL DSG 815；

（4）可调变压器、降压变压器。测量方法：

（1）如图13所示连接测量设备，在变压器输出线圈上加50 Hz信号，通过高通滤波器耦合一个RF信号；

（2）先调整变压器，使输出为零，再调整信号源频率为1 MHz、输出幅度为0 dBm，用频谱仪测量电流检测探头上耦合的RF信号幅度；

图12 电流检测探头校准框图

图13 最大电源电流测量框图

（3）调整可调变压器，使电源电流增加，随着电源电流的增加，电流检测探头磁芯逐渐趋于饱和，在频谱仪上可以看到因50 Hz电源调制，RF连续波信号谱线幅度上下抖动；当谱线正好不抖动的时候，将电源电流作为不过载电源电流，当谱线偏离不饱和谱线 10%时（log0.1=-1 dB）时，则认为磁芯发生饱和[8]，此电流即为该电流检测探头容许的最大电源电流。

（4）改变信号源的频率，重复步骤（2）和（3）。

测量结果如表1所示，采用的探头型号是TPCP-3001。

表1 最大电源电流测量结果

3.3 最大RF连续波电流测量方法

为了使电流检测探头不发生饱和，需要规定容许被测电缆流过的最大RF连续波电流。

测量设备：

（1）频谱仪：RIGOL DSA 815；

（2）信号源：RIGOL DSG 815；

（3）直流电源：HY171792-505；

（4）带耦合电容的三通。

根据磁芯饱和的原理，AC和DC都能使磁芯饱和，所以对磁芯线圈加两种信号：DC和RF。DC信号使磁芯产生饱和，RF信号则用作测量饱和时的电流幅度降低程度。当谱线偏离不饱和谱线10%时，则认为磁芯发生饱和，此时的电流即为电流检测探头容许被测电缆流过的最大RF连续波信号。

测量方法：

（1）如图14所示连接测量设备；

（2）先调整DC电源输出为零，再调整信号源，把信号谱线调到合适的幅度，并保持幅度不变；

图14 最大RF连续波电流测量框图

（3）DC电源用稳压状态，增加DC电源输出电流，使谱线下降1 dB，记录此时DC电源电流指示值；

（4）改变信号源的频率，重复步骤（2）和（3）。

测量结果如表2所示。

表2 RF最大连续波电流测量结果

3.4 探头屏蔽性能测量方法

为了防止环境电磁场对被测信号的影响，电流检测探头需要有一定的屏蔽能力。

测量设备：

（1）频谱仪：RIGOL DSA 815；

（2）信号源：RIGOL DSG815。

测量方法：

（1）如图15所示，连接测量设备；

图15 探头屏蔽性能测量方法

（2）调整信号源，输出一个RF信号（10 MHz，10dBm），按图15（a）所示在频谱仪上测量出信号幅值V1；

（3）不改变信号源的输出频率和幅度，把电流检测探头从被测线上取下并扣好，置于离被测线10 cm处，调整其位置和姿态，按图15（b）所示在频谱仪上测量出最大信号值V2，则屏蔽系数为V1- V2。

（4）改变信号源的频率，重复步骤（2）和（3）。

4 结束语

电流探头，尤其是电流检测探头，是电磁兼容测量传导干扰的检测设备。为了保证测量的精度和测量设备的安全，测量之前必须要了解被测系统的基本工作情况及探头的性能指标。通过本文介绍的各种测量方法，可对电流检测探头的部分主要性能指标进行测量，做到心中有数。本文提出的测量方法还未覆盖全部性能指标，有待进一步研究。