内容介绍

1、什么是电流传感器？

电流传感器是一种用于测量电流的设备，广泛应用于各种工业、商业和民用领域。这些传感器不仅能够测量交流电（AC）和直流电（DC）的电流，还能提供关于电流波形和瞬态事件的详细信息。

2、电流传感器是如何工作的？

最简单的电流测量可通过万用表的电流档来测量。将数字万用表串联连到电路中，使其成为电路本身的一部分。电流通过万用表时它的显示屏上会显示测量结果。但是这样需要断开原来的电路，在很多实际应用中是不可能的。

所以一般来说是用电流钳来测量电流。一般来说，它采用电磁感应原理，无需接入电路就可以测量交流电流。

电磁感应是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势，若处于闭合回路中，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。图中由于开关的通断，左边线圈中会出现电流的不断变化，会导致左边线圈磁通量的改变，从而会在右边线圈感应出电流。

电流钳采用了电磁感应原理，它相当于一个电流互感器，穿过钳口的被测导线就相当于互感器的左边，当导线中有电流时，电流钳的内部线圈就会感应出电流，从而可以测量出被测的电流大小。

3、常见的电流传感器的种类

从工作原理来区分，常见的电流传感器有互感式电流传感器，霍尔效应电流传感器和磁阻式电流传感器。

3.1 互感式电流传感器

互感式电流传感器的原理，就是前面前面介绍的电磁感应原理。其工作原理类似于变压器，即通过初级绕组中的电流产生磁场，然后在次级绕组中感应出电流。由互感器原理可知，它是不能测量直流电流的，因为一旦电流处于直流无变化状态，线圈中就无法感应出磁场来。所以电流互感器通常用于交流测量，如电力系统中的电流测量、故障保护、电能计量，包括各种电力设备和控制系统。

3.2 霍尔效应电流传感器

霍尔效应电流传感器利用霍尔效应来测量电流。所谓霍尔效应就是，当有电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，（这个电势差也被称为霍尔电势差）。通过霍尔效应即可测得加在半导体上的电流大小。

霍尔电流传感器包括开环式和闭环式两种，高精度的霍尔电流传感器大多属于闭环式，闭环式霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，即闭环原理，当原边电流IP产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中，霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边IP产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。经过特殊电路的处理，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化。

开环霍尔效应电流传感器的工作原理是，当原边电流IP流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压VS精确的反映原边电流IP。

由于在不同电流下,铁芯的磁导率是不一样的,因此,开环霍尔电流传感器的线性度较差,精度较低。相比之下，闭环式测量采用0磁通抵消测量的方法，不受铁芯非线性影响，精度较高。

3.3 磁阻式电流传感器

磁阻式电流传感器是一种利用磁阻效应测量电流的传感器。，磁阻效应是指某些金属或半导体材料的电阻随着外加磁场之变化而改变的效应。利用电流在磁场中产生的磁通量对磁阻进行改变，就可以实现电流测量。

具体测量通常使用惠斯通电桥结构，可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，并提高传感器的灵敏度。惠斯通电桥由四个电阻组成，分别为两个主动电阻和两个被动电阻，它们被安排在一个平衡电桥的形式中。当被测量的电流引起的磁场作用于磁阻传感器时，电阻值会发生微小的变化，从而引起电桥的不平衡。这个不平衡信号经过信号处理电路后就可以转换成磁场的测量值。

3.4 几种电流传感器的比较

这是对于几种电流传感器的特性比较，大家可以根据自己设计和项目的需求进行选择。

4、电流传感器实验演示

我们来演示使用树莓派来读取显示电流传感器的数据。这是一款Gravity出品的I2C数字功率计，下方连接了一个电子负载。初始时显示电路中的电流大约4毫安。开启电子负载，并调节负载的大小，可以看到，随着电子负载的电流的增大，屏幕显示读出的电流值也随之相应增大。

主控板卡：基于RP2040的带屏调试助手

以下是主程序中对于电流传感器数据的获取代码示例：

from breakout_colourlcd240x240 import BreakoutColourLCD240x240
from machine import ADC, Pin, Timer, PWM,I2C
from utime import sleep
import time, math,array
from INA219 import INA219
#------------------------------------------------------------------
width = BreakoutColourLCD240x240.WIDTH
height = BreakoutColourLCD240x240.HEIGHT
display_buffer = bytearray(width * height*2)
display = BreakoutColourLCD240x240(display_buffer)

timer1 = Timer() 

ina219_reading_mA = 1000
ext_meter_reading_mA = 1000

'''
  @param i2caddr  I2C address
  @n INA219_I2C_ADDRESS1  0x40   A0 = 0  A1 = 0
  @n INA219_I2C_ADDRESS2  0x41   A0 = 1  A1 = 0
  @n INA219_I2C_ADDRESS3  0x44   A0 = 0  A1 = 1
  @n INA219_I2C_ADDRESS4  0x45   A0 = 1  A1 = 1
'''
i2c = I2C(0, scl=Pin(21), sda=Pin(20))
ina = INA219(i2c, INA219.INA219_I2C_ADDRESS4)                                #Change I2C address by dialing DIP switch
#begin return True if succeed, otherwise return False
while not ina.begin():
    time.sleep(2)
'''
Revise the following two paramters according to actula reading of the INA219 and the multimeter
for linearly calibration
'''
ina.linear_cal(ina219_reading_mA, ext_meter_reading_mA)

ina.set_bus_RNG(ina.bus_vol_range_32V)
ina.set_PGA(ina.PGA_bits_8)
ina.set_bus_ADC(ina.adc_bits_12, ina.adc_sample_8)
ina.set_shunt_ADC(ina.adc_bits_12, ina.adc_sample_8)
ina.set_mode(ina.shunt_and_bus_vol_con)

#ina.reset()                                     #Resets all registers to default values                    
current_temp = 0                   
#-------------------------------------------------------------------
def display_init():
    
    display.set_pen(0,255,0)
    display.rectangle(58,30,13,160)
    display.circle(64,190,10)
    display.set_pen(255,0,0)
  
    display.text("current", 150, 20, 194, 2)
    display.text("value", 150, 35, 194, 2)
    display.text("mA", 200, 90, 194, 2)
    display.update()
  
    for i in range(6):
        display.set_pen(0,200,0)
        display.pixel_span(80,27 + i*30,10)
        display.text(str(50 - i *10), 100, 20+i*30, 194, 2)
        display.set_pen(0,0,220)
        if i < 5:
            for j in range(4):
                display.pixel_span(80,33 + j*6 + i * 30,5)
        display.update()
    
#---------------------------------------------------------------------
def display_change(temp, color):
    global current_temp
    current_temp = temp
    #print(temp)
    display.set_pen(color[0], color[1], color[2])
    display.rectangle(58,30,13,160)
    display.circle(64,190,10)
    display.set_pen(0,0,150)
    display.rectangle(58,20,13,7+int((50-temp)/2)*6)
    display.set_pen(0,0,0)
    display.rectangle(150,50,90,40)
    display.set_pen(0,255,0)
    display.text(str(temp), 150, 50, 5, 5)
    display.update()
#----------------------------------------------------------------------
def get_temp():
    Currentvalue=ina.get_current_mA()
    return Currentvalue
#----------------------------------------------------------------------
def main():
    
    color = [0,255,0] 
    timer1 = Timer()
    display_init()
    timer1.init(freq=5,mode=Timer.PERIODIC, callback=lambda t:display_change(round(get_temp(),1), color))

    while True:
      sleep(0.1) 
main()