电流信号的测量-电子发烧友网

一、电流信号测量思路

本篇文章我们要介绍一些测量电流信号的方法。大家应该知道，多数采集卡都可以直接采集电压信号。但4～20mA的电流信号也很常见，那么这些电流信号要如何进行采集分析呢？基本思路是将电流信号转变为电压信号，然后再使用采集卡进行相应的处理。

我们将说明两种转换方案，供大家参考。

二、抽样电阻方案

第一种方案是使用取样电阻将电流转换为电压。这一方案主要利用了欧姆定律，即：U=I*R。

这

在公式中我们已知电阻大小为：R。当电流I流过电阻时，就会产生电压U。而电阻是一种线性元件，这样电压的变化就可以反应电流的变化了。再使用采集卡采集电压信号，就完成了对电流信号的采集。关于欧姆定律具体的表述是：在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。

该定律是由德国物理学家乔治•西蒙•欧姆提出。

取样电阻方案在实际工作中应该如何使用呢？

我们以4-20mA的电流信号为例，它是广泛用于传感器/变送器领域的一种通用的标准信号。

如果选择取样电阻方案，那么取样电阻的阻值一般为250欧。使用欧姆定律计算一下便知道4-20mA的电流信号就被转换为1-5V的电压信号。所以在这样的方案中，电阻是很重要的一个元器件。在选择电阻时既要考虑到电阻的准确性，也要考虑到电阻的温度漂移值。它是指：温度每变化1度所对应的电阻值的变化量，通常用PPM（百万分之一）/℃为单位。倘若不方便外接电阻，Smacq也提供M2000系列的远程AI模块，该模块内置有120Ω的取样电阻。不过此模块只适合与采样率较低的情况。

再者，我们还要说明一下传感器、电阻、采集卡之间到底是如何连接的？

4-20mA的传感器/变送器可分为二线制，三线制和四线制。它们的连接方式如下图：

首先简单说明四线制的连接方式：将直流电源的正负极与传感器的正负极相连，将传感器的正负输出端（out+/-）连接到取样电阻的两端，将采集卡的任意AI通道与取样电阻的out+端连接，将采集卡的AI Sense端与取样电阻的out-端连接。

特别要提到一点，当传感器是二线制时，应当注意电阻的连接问题，防止电源电流直接进入采集卡将采集卡烧坏。在使用二线制接线方式时，可以先测量一下电阻两端的电压是否符合采集卡量程，然后再使用采集卡采集传感器信号。

当然，在电流采集场景中还有许多非标准的电流信号需要采集。我们可以粗略地将其分为小电流采集和大电流采集。

由欧姆定律可知，当电流较小时，电阻R就要大一些。这样产生的电压才能适配采集卡的量程。如果采集环境要求采样电阻阻值不能太高时，我们就要选用一些素质较好的，能够测量小电压的采集设备进行采集。

也可以使用放大器放大电压信号，比如SRD-1004程控放大器，它的放大倍数可设置为10倍，100倍，1000倍。

当电流较大时，电阻R就要小一些。这种情况下一般会使用分流器，将电流信号转变为电压信号。

分流器其实就是一个能通过极大电流的阻值很小的电阻，以50A的分流器为例，它可以通过的最大电流是50A，满量程输出电压是75mV。由此可知它相当于一个0.0015欧的电阻。因为分流器输出的电压很小，所以我们会使用使用放大器来放大它的信号。

三、电流变送器方案

当电阻不方便串入被测回路中时，我们就需要用到第二种方案：使用电流传感器将电流信号转变为电压信号。根据工作原理的不同，电流传感器有多种分类。

这里我们主要介绍一种霍尔电流传感器。

霍尔电流传感器是基于霍尔效应，利用霍尔磁平衡原理实现对各种类型的电流测量的一种传感器。

霍尔效应是由美国物理学家霍尔在1879年发现的。

它的具体表述是：当电流垂直于外磁场B通过半导体时，载流子发生偏转。这时垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而使半导体的两端产生电势差，而这个电势差也被称为霍尔电势差。

在使用霍尔电流传感器时，在输入端通入控制电流也就是我们要测量的电流。当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势。霍尔电势的大小与控制电流和磁通密度的乘积成正比，通过测量霍尔电势的大小就可以间接测量载流导体电流的大小。这种电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换，比较安全。但它是一种有源器件，需要外部供电，所以使用上不如取样电阻方便。

而在一些特殊应用中，被测电流的频率会很高，但是一般的电流传感器的带宽只有20k左右，无法满足高频率响应的要求，这个时候就可以选择电流探头。

它的频率响应比较高，可以达到几十兆的带宽，但是电流探头的使用成本也要高很多。

在后续的实验中，我们将分别使用电阻和电流传感器，完成对电流信号的采集。

四、第一组实验

在这组中，我们会使用取样电阻将电流信号转化为电压信号。需要的实验设备有：电阻、USB-3123数据采集卡、直流电源。

实验中以直流电源模拟传感器发出的标准电流信号，电阻使用的是高精度低温漂的阻值为250Ω的电阻。下面开始连线，首先将电源的正负极连接到电阻两端，电源设置成电流4mA，电压24V。启动电源，用万用表测量电阻两端的电压大小，这一步是为了确认电阻与电源之间正常连接，防止烧毁采集卡。

关闭电源后将电阻的正极与采集卡的AI 0相连，将电阻的负极与采集卡的AI Sense端相连，然后将AI Sense端与AGND相连，最后将采集卡与电脑连接。

打开采集卡软件，调整软件设置。

选择单端模式，

勾选AI 0通道，其他设置均不变。

设置坐标为不自动调整y标尺，

并将标尺设置为-10～10。点击启动。

可以看到数据此时位于零坐标点，

将电源电流调整至4mA，采集卡采集到的数据为1V。

电源电流调整为20mA，采集到的数据则为5V，采集结果与之前计算的情况一致。

通过取样电阻我们就可以把电流信号转换为电压信号了。

五、第二组实验

接着我们要完成的实验是，使用数据采集卡检测220V、50Hz的交流电信号，做这个实验的目的是要和开关电源相连的交流电信号做对比，观察这两个交流电信号的波形有何异同。实验用到的设备有，功率为50W、阻值为1kΩ的水泥电阻，额定电流为2A的电流传感器，USB-3123数据采集卡，输出电压为±15V的开关电源。

一起看一下电路是如何搭建的，将水泥电阻与电源直接串联，电流通过电阻从电流传感器的NI+端流入，NI-端流出，电流传感器副边的+15V与-15V端口分别于开关电源的V1端和V2端相连，公共地（0V）端与电源开关的COM端连接，输出端（M）与采集卡的Ai0端相连。将Ai Sense端与开关电源的COM端连接，并且将采集卡的Ai Sense与AGND短接，最后将采集卡与电脑连接。

打开采集卡软件，连接采集卡后设置相关参数。选择单端模式，勾选Ai０通道，修改采样率为10000Sa/s，其它参数不变。

将纵坐标设置为－５～５，并取消自动调整纵坐标，调整横坐标为0～100。为开关电源供电，点击启动。

可以看到数据在０坐标上，为水泥电阻通入交流电后，数据在±０.８之间波动。放大画布可以看到一个明显的正弦波形。

接下来我们看看电流传感器是怎样使用的，需要用到的实验设备有：两个直流电源、两个电流传感器、一个水泥电阻和一张数据采集卡。

首先说明一下各个器件的参数及功能，左边的开关电源输出±15V的电压，它的主要作用是为电流传感器提供电源；右边的开关电源输出±24V的电压，它的主要作用是作为测试电流，我们可以看到这个设备的输入与输出，分别与两个电流传感器串联；下方电流传感器的额定电流是2A，它测量的是±24V开关电源设备的输入，也就是220V、50Hz的交流电；上方传感器的额定电流是5A，它测量的是通过水泥电阻的电流；水泥电阻的参数是：额定功率50W（瓦），阻值12Ω；采集卡使用的依然是USB-3123数据采集卡。

接着我们说明一下各设备间的连线，电流传感器的副边有4个端口分别是：电源正（+15V）、电源负（-15V）、输出端（M）、公共地（0V）。我们将电源正端（+15V）与电源V1端连接，将电源负端（-15V）与电源V2端连接，将输出端（M）与采集卡的模拟输入端口（AI）连接，将公共地（0V）与电源的COM端连接。

需要注意的是，实验中使用了两个电流传感器。我们将与交流电连接的电流传感器的输出端与采集卡的AI 0端口连接，将与直流24V连接的电流传感器的输出端，与采集卡的AI 7端口连接，两传感器副边其他端口的连线都相同。另外，在将电流传感器串入电路中时，要使用传感器的原边，也就是标有NI+、NI-的一边。串联时，电流从NI+端流入，NI-端流出。

实验中的水泥电阻作为负载使用，直接与开关电源串联。我们可以计算一下这一电路中的电流值，电源输出电压24V，电阻12Ω，所以电路中电流的大小为2A。传感器的额定电流5A，输出电压为5V，所以采集卡采集到的电压应为2V，我们可以看看最后的采集结果是否相同。

采集卡的连接方式是：将其AI Sense端与供电电源的COM端相连，并将AI Sense端与AGND端短接，以上就是各实验设备的连线方式。