耦合电流传感器

电流传感器工作原理电流传感器是传感器的一种分类,其主要信号源是采集信号的电流大小主要参数为其电流大小检测方法一般是检测电流特性的器件,一般有电流表之类的工作原理主要是霍尔效应原理.一、以零磁通闭环产品原理为例:1、当原边导线经过电流传感器时,原边电流IP会产生磁力线,原边磁力线集中在磁芯气隙周围,内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的,大小仅为几毫伏的感应电压,通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS,并存在以下关系式：IS NS= IPNP其中,IS—副边电流；IP—原边电流；NP—原边线圈匝数；NS—副边线圈匝数；NP/NS—匝数比,一般取NP=1;电流传感器的输出信号是副边电流IS,它与输入信号原边电流IP成正比,IS一般很小,只有10~400mA;如果输出电流经过测量电阻RM,则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号;2、传感器供电电压VAVA指电流传感器的供电电压,它必须在传感器所规定的范围内;超过此范围,传感器不能正常工作或可靠性降低,另外,传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-;要注意单相供电的传感器,其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍,所以其测量范围要相供高于双电的传感器;3、测量范围Ipmax测量范围指电流传感器可测量的最大电流值,测量范围一般高于标准额定值IPN;二、电流传感器主要特性参数1、标准额定值IPN和额定输出电流ISNIPN指电流传感器所能测试的标准额定值,用有效值表示,IPN的大小与传感器产品的型号有关; ISN指电流传感器额定输出电流,一般为10~400mA,当然根据某些型号具体可能会有所不同;2、偏移电流ISO偏移电流也叫残余电流或剩余电流,它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的;电流传感器在生产时,在25℃,IP=0时的情况下,偏移电流已调至最小,但传感器在离开生产线时,都会产生一定大小的偏移电流;产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响;3、线性度线性度决定了传感器输出信号副边电流IS与输入信号原边电流IP在测量范围内成正比的程度;4、温度漂移偏移电流ISO是在25℃时计算出来的,当霍尔电极周边环境温度变化时,ISO会产生变化;因此,考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的,其中,IOT是指电流传感器性能表中的温度漂移值;5、过载电流传感器的过载能力是指发生电流过载时,在测量范围之外,原边电流仍会增加,而且过载电流的持续时间可能很短,而过载值有可能超过传感器的允许值,过载电流值传感器一般测量不出来,但不会对传感器造成损坏;6、精度霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN;在+25℃时,传感器测量精度与原边电流有一定影响,同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响;。

电流传感器的工作原理电流传感器是一种用于测量电流的设备，它能够将电流转换为可测量的电信号。

它在电力系统、工业自动化、电子设备等领域中广泛应用。

一、电流传感器的基本原理电流传感器的基本原理是根据安培力定律，即电流通过导线时会在周围产生磁场。

根据法拉第电磁感应定律，当导线周围的磁场发生变化时，会在导线上感应出电动势。

因此，电流传感器通过感应导线周围的磁场变化来测量电流。

二、电流传感器的工作方式1. 电流互感器（CT）：电流互感器是一种常见的电流传感器，它利用互感原理来测量电流。

电流互感器的主要部分是一个线圈，将待测电流通过线圈，产生一个次级电流，进而测量次级电流来确定待测电流的大小。

电流互感器通常用于高电流测量，如电力系统中的变电站和配电系统。

2. 磁电阻式传感器：磁电阻式传感器利用磁电阻效应来测量电流。

它包含一个磁敏电阻元件，当电流通过导线时，产生的磁场会影响磁敏电阻的电阻值。

通过测量电阻值的变化，可以确定电流的大小。

磁电阻式传感器具有响应速度快、精度高等优点，常用于电子设备和自动化控制系统中。

3. 磁感应式传感器：磁感应式传感器利用磁感应原理来测量电流。

它包含一个磁芯和一个线圈，当电流通过导线时，产生的磁场会使磁芯饱和，从而改变线圈的感应电压。

通过测量感应电压的变化，可以确定电流的大小。

磁感应式传感器具有结构简单、成本低等优点，常用于低电流测量和小型电子设备中。

三、电流传感器的应用领域1. 电力系统：电流传感器在电力系统中广泛应用，用于监测和保护电力设备。

例如，在变电站中，电流传感器用于测量变压器、断路器和电缆的电流，以确保电力系统的安全运行。

2. 工业自动化：电流传感器在工业自动化中用于监测电机、驱动器和控制器的电流。

它们可以实时监测电流的变化，以便及时发现故障并采取相应的措施。

3. 电子设备：电流传感器在电子设备中用于测量电路的电流，以便控制电路的工作状态。

例如，在电源管理系统中，电流传感器用于监测电源的输出电流，以确保电子设备的正常运行。

交流电流传感器原理交流电流传感器，也被称为电流互感器或电流变送器，是一种用于测量交流电路中电流的装置。

它能够将电流信号转换为相应的电压信号，以便于进行后续的测量和控制。

交流电流传感器的工作原理基于电感耦合的原理。

它的结构通常是一个包含线圈的铁芯，该线圈被连接到待测电流所经过的电路中。

当电流通过线圈时，产生的磁场会通过铁芯传输到另一个线圈中。

交流电流传感器中的线圈通常被称为一次线圈，而另一个线圈则被称为次级线圈。

一次线圈中的电流称为一次电流，而次级线圈中的电压称为次级电压。

在交流电路中，电流是通过周期性变化的。

交流电流传感器利用电感耦合的原理，在一次线圈中产生一个与一次电流频率相同的磁场变化，并通过耦合的铁芯传导到次级线圈中。

这样，次级线圈中就会感应出一个与一次电流频率相同的电压信号。

为了准确测量交流电路中的电流，交流电流传感器通常会对次级信号进行采样和处理。

通常情况下，这个过程包括放大、滤波和线性化。

放大是为了增加信号的幅值，以便于后续的处理。

滤波是为了去除杂散信号和噪声，以提高测量的准确性。

线性化是为了将输出信号与输入电流之间的关系变得线性，以便于计算和校准。

交流电流传感器的输出信号通常是一个与输入电流成正比的电压信号。

因此，可以通过测量输出电压来确定输入电流的大小。

输出信号可以连接到数据采集系统、仪表或控制器中，以实现对电流进行测量和控制。

交流电流传感器具有测量范围广、准确度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点，因此在许多领域得到广泛应用。

它被广泛用于电力系统、工业自动化、电机控制、电力负荷管理等领域。

总结起来，交流电流传感器通过利用电感耦合的原理，将交流电路中的电流转换为相应的电压信号。

它的工作原理基于线圈和铁芯的结构，通过一次线圈中的电流在铁芯上产生磁场变化，并通过耦合的次级线圈感应出相应的电压信号。

输出信号经过采样、放大、滤波和线性化等处理后，可以用于测量和控制交流电路中的电流。

交流电流传感器具有广泛的应用前景，为电力系统和工业自动化提供了重要的测量和控制手段。

智能电网技术的智能设备与传感器应用随着科技的快速发展，智能电网技术越来越受到人们的重视。

智能电网通过使用智能设备和传感器，实现对电力系统的智能监控和管理，提高电网的安全性、可靠性和经济性。

在智能电网中，各种设备和传感器扮演着至关重要的角色。

本文将介绍智能电网中常见的设备与传感器的工作原理与应用方法。

一、智能设备智能电网中常见的智能设备包括智能电表、智能断路器和智能插座等。

这些设备通过集成先进的通信技术和控制技术，实现与电力系统的远程通讯和远程控制。

其中，智能电表是智能电网中最重要的设备之一，它能够实时监测电能的使用情况，并将数据传输到电力公司的服务器上。

这样，电力公司可以根据用户的需求进行合理的电能分配，提高电网的运行效率。

二、传感器传感器是智能电网中不可或缺的组成部分，它们可以感知电力系统中的各种数据，并将其转化为电信号或数字信号，以供智能设备进行处理。

智能电网中常见的传感器包括电流传感器、电压传感器和温度传感器等。

1. 电流传感器电流传感器可以测量电流的大小和方向，用于监测电力系统中的电流变化情况。

电流传感器通常采用磁性耦合或电感耦合的原理进行工作。

当电流通过传感器的线圈时，线圈中的磁场会发生变化，从而在线圈上引起感应电压。

通过测量这个感应电压，可以准确地获取电流的信息。

2. 电压传感器电压传感器用于测量电力系统中的电压大小和相位差。

电压传感器通常采用电容耦合或电感耦合的原理进行工作。

当电压作用于传感器的电容或电感时，会引起电容或电感的变化。

通过测量这个变化，可以准确地获得电压的信息。

3. 温度传感器温度传感器在智能电网中广泛应用于变压器和电缆等设备的温度监测。

温度传感器通常采用热敏电阻、热电偶或半导体传感器等原理进行工作。

这些传感器的电阻或电势随温度的变化而变化，通过测量这个变化，可以准确地获取温度的信息。

三、应用方法智能设备和传感器在智能电网中的应用方法主要包括数据采集和远程控制。

首先，智能设备通过传感器采集电力系统中各种数据，比如电流、电压、温度等。

电流传感器的工作原理电流传感器是一种用于测量电流的装置，它能够将电流转化为可测量的电信号。

电流传感器广泛应用于电力系统、工业自动化、电动汽车等领域，用于监测和控制电流的大小。

电流传感器的工作原理基于安培定律和电磁感应定律。

当电流通过导体时，会在导体周围产生磁场。

电流传感器利用这个原理来测量电流的大小。

一种常见的电流传感器是闭合式电流传感器，它由磁芯、一对绕组和电路部分组成。

磁芯通常由铁氧体或软磁材料制成，具有良好的磁导率。

绕组分为一对，分别称为一次绕组和二次绕组。

当电流通过一次绕组时，产生的磁场会通过磁芯传递到二次绕组。

根据安培定律，通过一次绕组的电流和通过二次绕组的电流之间存在线性关系。

因此，通过测量二次绕组的电流，可以间接地得到通过一次绕组的电流大小。

为了提高测量的精度和减小传感器的影响，通常会采用差动设计。

差动设计中，电流传感器有两个一次绕组，分别称为正向一次绕组和反向一次绕组。

这样设计的目的是通过正向和反向一次绕组的电流差异来消除温度漂移和磁场干扰对测量结果的影响。

除了闭合式电流传感器，还有开路式电流传感器。

开路式电流传感器利用霍尔效应或磁阻效应来测量电流。

霍尔效应电流传感器基于霍尔元件的磁场感应特性，通过测量霍尔元件两侧的电压差来得到电流大小。

磁阻效应电流传感器则是利用磁阻元件的阻值随磁场强度变化的特性，通过测量磁阻元件的阻值来得到电流大小。

无论是闭合式电流传感器还是开路式电流传感器，都需要进行校准和线性化处理，以确保测量结果的准确性和稳定性。

校准过程通常涉及施加已知电流并记录传感器输出的电压或电流值，然后根据这些数据进行校准曲线的拟合和修正。

总结起来，电流传感器的工作原理是基于电磁感应定律和安培定律。

通过测量磁场的变化或电阻的变化，电流传感器能够将电流转化为可测量的电信号。

不同类型的电流传感器具有不同的工作原理和特点，但它们的目标都是实现准确、稳定地测量电流大小。

在实际应用中，选择适合的电流传感器类型和进行正确的校准是确保测量结果准确可靠的关键。

电流传感器的工作原理电流传感器是一种用于测量电流的装置，它能够将电流转换为可测量的电信号。

电流传感器广泛应用于工业控制、能源管理、电力系统监测等领域。

下面将详细介绍电流传感器的工作原理。

1. 引言电流传感器的工作原理基于安培定律，即电流通过导体时，会在导体周围产生一个磁场。

电流传感器利用这个磁场来测量电流的大小。

2. 工作原理电流传感器通常采用霍尔效应或电感耦合方式来测量电流。

下面将分别介绍这两种工作原理。

2.1 霍尔效应霍尔效应是指当通过导体的电流受到磁场的影响时，导体两侧会产生一种电势差，这种电势差称为霍尔电压。

电流传感器利用霍尔效应来测量电流。

电流传感器中通常包含一个霍尔元件，它被放置在电流要测量的导线附近。

当电流通过导线时，导线周围会产生一个磁场，这个磁场会影响到霍尔元件。

霍尔元件会感应到磁场的变化，并产生相应的霍尔电压。

为了提高测量的精确度，电流传感器通常还包含一个磁场调节器，用于调节磁场的强度和方向。

通过调节磁场的强度和方向，可以使得霍尔元件感应到的霍尔电压与电流之间的关系更加稳定和线性。

2.2 电感耦合电感耦合是另一种常用的电流传感器工作原理。

电感耦合传感器由一个线圈和一个磁芯组成。

当电流通过线圈时，线圈周围会产生一个磁场，磁场会使磁芯发生磁化。

磁芯的磁化程度与电流的大小成正比。

通过测量磁芯的磁化程度，可以间接地得到电流的大小。

为了提高测量的精确度，电感耦合传感器通常还包含一个补偿线圈。

补偿线圈用于产生一个与电流线圈相反的磁场，以抵消电流线圈产生的磁场对磁芯的影响。

通过调节补偿线圈的电流，可以使得磁芯的磁化程度与电流之间的关系更加稳定和线性。

3. 应用举例电流传感器广泛应用于各种场景中。

以下是一些应用举例：3.1 工业控制在工业控制系统中，电流传感器用于测量电机、变频器等设备的电流。

通过监测电流的大小，可以实时掌握设备的运行状态，并进行相应的控制和调节。

3.2 能源管理电流传感器在能源管理系统中起到了重要的作用。

螺线管型磁力耦合式光纤光栅大电流传感器研究的开题报告一、研究背景电力系统大电流传感器是电力系统中重要的测量设备，其精度和可靠性至关重要。

然而，传统的大电流传感器存在体积大，重量重、安装复杂、精度低等问题。

为了克服这些问题，研究人员提出了许多新型的大电流传感器，如磁力耦合式大电流传感器。

其中，磁力耦合式大电流传感器基于磁力耦合原理，具有体积小，重量轻，精度高等优点，因此得到越来越广泛的应用。

因此，本研究将基于螺线管型磁力耦合式大电流传感器，结合光纤光栅技术，开发高精度、高可靠性的大电流传感器。

二、研究目的和意义本研究的目的是开发一种基于螺线管型磁力耦合式大电流传感器、结合光纤光栅技术的高精度、高可靠性大电流传感器。

该研究的意义在于：1. 提高大电流传感器的精度和可靠性，提高电力系统的稳定性和安全性；2. 通过使用光纤光栅技术，实现对大电流传感器的在线监测和故障诊断，降低电力运行成本，提高经济效益；3. 探索新型大电流传感器的研究方法和技术手段，为电力系统传感器研究提供新思路和新方法。

三、研究内容及方法1. 螺线管型磁力耦合式大电流传感器的设计和制作，包括磁力线圈的结构设计和制定、传感器的机械结构设计、激励和信号处理电路设计等。

2. 光纤光栅技术的应用，包括光纤光栅传感器的原理、制作方法、读出方式等。

3. 传感器的精度测试和性能评价，包括磁场响应曲线测量、温度和湿度对传感器的影响分析、安装误差对传感器精度的影响分析。

4. 在线监测和故障诊断，包括光纤光栅长周期光栅传感器的在线监测原理和系统设计、基于模糊逻辑的传感器故障诊断算法研究等。

研究方法包括实验室实验、数值模拟和计算机仿真等。

四、研究进度安排第一年：磁力耦合式大电流传感器的理论分析和设计，光纤光栅的原理和制作方法的研究。

第二年：传感器结构的制作和调试，精度测试和性能评价的研究。

第三年：在线监测和故障诊断系统的设计和实验验证，综合评价和成果撰写。

电流传感器的工作原理电流传感器是一种用于测量电流的设备，它能够将电流转换为可测量的电信号。

电流传感器通常由一个感应元件和一个信号处理电路组成。

感应元件负责将电流转换为磁场或电场，而信号处理电路则负责将这些信号转换为可用的电压或电流输出。

感应元件的工作原理可以分为两种类型：磁性感应和霍尔效应。

磁性感应是一种常见的电流传感器工作原理。

它利用法拉第电磁感应定律，即当电流通过导线时，会在导线周围产生一个磁场。

电流传感器中的感应元件通常是一个线圈，当电流通过线圈时，会在线圈周围产生一个磁场。

这个磁场可以通过感应元件中的磁敏元件（如磁致伸缩材料或磁敏电阻）来检测。

磁敏元件的电阻或尺寸会随着磁场的变化而变化，从而产生一个与电流成正比的电压或电流输出。

霍尔效应是另一种常见的电流传感器工作原理。

它利用霍尔效应，即当电流通过导体时，会在导体两侧产生一个电压差。

电流传感器中的感应元件通常是一个霍尔元件，它可以测量电流通过导线时产生的磁场的强度。

当电流通过导线时，磁场会使霍尔元件两侧的电势差发生变化。

这个电势差可以通过信号处理电路进行放大和转换，从而产生一个与电流成正比的电压或电流输出。

除了磁性感应和霍尔效应，还有其他一些电流传感器的工作原理，如电感耦合和电容耦合等。

这些原理都是基于电流通过导线时产生的磁场或电场的变化来进行测量的。

电流传感器的工作原理可以应用于各种场景，例如电力系统中的电流监测、电动车辆中的电流控制、工业自动化中的电流检测等。

通过准确测量电流，可以实现对电路的保护、电能的计量和电流控制等功能。

总结起来，电流传感器的工作原理主要包括磁性感应和霍尔效应。

通过感应元件将电流转换为磁场或电场，然后通过信号处理电路将这些信号转换为可用的电压或电流输出。

这些原理可以广泛应用于各种电流测量场景，为电路保护、电能计量和电流控制等提供了重要的技术支持。

电流传感器的工作原理引言概述：电流传感器是一种常用的电气测量仪器，用于测量电路中的电流大小。

它是一种重要的电气仪器，广泛应用于工业控制、电力系统、电动机保护等领域。

电流传感器的工作原理是通过感应电流产生的磁场来实现电流的测量。

下面将详细介绍电流传感器的工作原理。

一、电流感应原理1.1 电流感应现象电流传感器利用电流感应现象来实现电流的测量。

当电流通过导线时，会产生一个围绕导线的磁场。

这个磁场的强度与电流的大小成正比，可以通过测量磁场的强度来确定电流的大小。

1.2 磁场感应定律根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在导体中产生感应电动势。

电流传感器利用这一原理，在感应电动势的作用下实现电流的测量。

1.3 磁场传感器电流传感器中常用的磁场传感器有霍尔传感器和磁致伸缩传感器。

霍尔传感器通过测量磁场的强度来确定电流大小，而磁致伸缩传感器则是通过磁致伸缩效应来实现电流的测量。

二、电流测量方法2.1 非接触式测量电流传感器可以实现非接触式的电流测量，即不需要将传感器直接连接到电路中。

这种测量方法适用于高压、高温等环境下的电流测量。

2.2 分流测量分流测量是一种常用的电流测量方法，通过在电路中引入一个小电阻，将电流分流至电流传感器中进行测量。

这种方法可以减小对电路的影响，提高测量的精度。

2.3 直接测量直接测量是将电流传感器直接连接到电路中进行电流测量。

这种方法适用于对电流测量精度要求较高的场合，但需要注意传感器的安装位置和连接方式。

三、电流传感器的类型3.1 电流互感器电流互感器是一种常用的电流传感器类型，通过互感器的变压器原理实现电流的测量。

它具有体积小、精度高、安装方便等优点。

3.2 电阻式电流传感器电阻式电流传感器是通过测量电阻的变化来实现电流的测量。

它具有简单、成本低等优点，但精度一般较低。

3.3 电磁式电流传感器电磁式电流传感器利用电流在磁场中的作用实现电流的测量。

它具有灵敏度高、响应速度快等优点，适用于高精度的电流测量。

电流传感器的工作原理引言概述：电流传感器是一种常见的电气测量设备，用于测量电路中的电流强度。

它广泛应用于工业控制、能源管理和电力系统等领域。

本文将详细介绍电流传感器的工作原理。

一、感应原理1.1 磁感应原理电流传感器利用磁感应原理测量电流。

当电流通过导线时，会在周围产生磁场。

电流传感器通过感应线圈或霍尔元件来检测这个磁场。

1.2 感应线圈感应线圈是电流传感器中常用的检测元件。

它由绕组和磁芯组成。

当电流通过被测导线时，感应线圈中的绕组将受到磁场的影响，从而产生感应电动势。

通过测量感应电动势的大小，可以确定电流的强度。

1.3 霍尔元件霍尔元件是另一种常用的电流传感器检测元件。

它利用霍尔效应来测量电流。

当电流通过霍尔元件时，霍尔元件中的霍尔传感器将受到磁场的作用，产生电压输出。

通过测量输出电压的大小，可以确定电流的强度。

二、工作原理2.1 线性关系电流传感器的工作原理基于电流和磁场之间的线性关系。

在一定范围内，电流和磁场的强度成正比。

因此，通过测量磁场的强度，可以间接测量电流的强度。

2.2 非接触式测量电流传感器的工作原理使其成为一种非接触式测量设备。

它不需要直接接触被测导线，减少了安装和维护的复杂性和风险。

2.3 高精度和低失真电流传感器的工作原理使其具有高精度和低失真的特点。

通过合理设计感应线圈或霍尔元件，可以实现对电流的准确测量，并减少测量过程中的失真。

三、应用领域3.1 工业控制电流传感器在工业控制中广泛应用。

它可以用于监测电机的运行状态、控制电力设备的输出、检测电路中的故障等。

3.2 能源管理电流传感器在能源管理中起到关键作用。

通过测量电路中的电流，可以准确计量能源的消耗，帮助企业进行能源管理和节能减排。

3.3 电力系统电流传感器在电力系统中扮演重要角色。

它用于监测输电线路中的电流、保护电力设备免受过载和短路等故障的影响，确保电力系统的安全稳定运行。

四、优势和局限性4.1 优势电流传感器具有非接触式测量、高精度、低失真等优势。

电流传感器参数1. 什么是电流传感器？电流传感器是一种电子设备，用于测量电路中的电流。

它可以将电流转换为与之成比例的电压或其他形式的输出信号，以便进行监测、控制和保护等应用。

2. 电流传感器的工作原理电流传感器的工作原理基于电磁感应定律。

当电流通过导体时，会在周围产生磁场。

电流传感器通过感应这个磁场来测量电流的大小。

常见的电流传感器有两种工作原理：霍尔效应和电感耦合。

霍尔效应传感器利用了电流通过导体时产生的磁场对霍尔元件的影响，从而测量电流的大小。

电感耦合传感器则利用了电流通过导体时产生的磁场对电感元件的影响，从而测量电流的大小。

3. 电流传感器的参数3.1 额定电流（Rated Current）额定电流是指电流传感器能够正常工作的最大电流值。

超过这个值，电流传感器可能无法正常测量电流或产生误差。

3.2 灵敏度（Sensitivity）灵敏度是指电流传感器输出信号相对于输入电流变化的比例关系。

通常以每安培（A）对应的输出电压或输出电流来表示。

3.3 频率响应（Frequency Response）频率响应是指电流传感器能够测量的电流信号的频率范围。

不同的电流传感器有不同的频率响应范围，通常以赫兹（Hz）为单位。

3.4 零点漂移（Zero Offset）零点漂移是指在没有电流通过时，电流传感器输出的非零信号。

它可能是由于传感器内部的杂散磁场或其他因素引起的。

3.5 非线性误差（Non-linearity）非线性误差是指电流传感器输出信号与输入电流之间的非线性关系。

它通常以百分比或毫安（mA）为单位表示。

3.6 温度特性（Temperature Coefficient）温度特性是指电流传感器在不同温度下的输出信号的变化。

它通常以每摄氏度（℃）对应的输出电压或输出电流的变化来表示。

3.7 精度（Accuracy）精度是指电流传感器输出信号与实际电流之间的差异程度。

它通常以百分比或毫安（mA）为单位表示。

电流传感器的工作原理电流传感器是一种用于测量电流的装置，它能将电流转换为可测量的电信号。

电流传感器广泛应用于电力系统、工业自动化、电动车辆和家用电器等领域，以确保电流的安全运行和监测。

一、电流传感器的分类根据工作原理和结构特点，电流传感器可以分为以下几类：1. 电磁式电流传感器：利用法拉第电磁感应原理，通过线圈和磁芯的结构来感应电流。

当电流通过线圈时，产生的磁场会引起线圈中的电磁感应，从而产生电压信号。

这种传感器具有响应速度快、精度高、线性度好等特点。

2. 零磁通传感器：通过在传感器中引入磁通补偿技术，使得在正负半周的磁通积分相互抵消，从而实现零磁通。

当电流通过传感器时，会引起磁通的变化，进而产生电压信号。

这种传感器具有高精度、低漂移、低温漂移等特点。

3. 磁电阻式电流传感器：利用磁电阻效应，通过在传感器中引入磁敏电阻材料，当电流通过传感器时，磁敏电阻的电阻值会发生变化，从而产生电压信号。

这种传感器具有响应速度快、体积小、功耗低等特点。

4. Hall效应电流传感器：利用Hall效应，通过在传感器中引入Hall元件，当电流通过传感器时，会产生横向磁场，从而引起Hall元件的电压变化。

这种传感器具有高灵敏度、低温漂移、抗干扰能力强等特点。

5. 光电式电流传感器：利用光电效应，通过在传感器中引入光电二极管和光敏电阻等元件，当电流通过传感器时，会引起光敏元件的光强变化，进而产生电压信号。

这种传感器具有高隔离性、抗干扰能力强等特点。

二、以电磁式电流传感器为例，介绍其工作原理：电磁式电流传感器由一个线圈和一个磁芯组成。

当被测电流通过线圈时，线圈中会产生一个磁场，磁场的强度与电流成正比。

磁芯的作用是集中和引导磁场，提高传感器的灵敏度和线性度。

当电流传感器连接到测量电路时，线圈中的磁场会引起线圈中的电磁感应，从而在线圈两端产生一个感应电压。

感应电压的大小与线圈中的磁场强度成正比，进而与被测电流成正比。

为了提高精度和减小误差，电磁式电流传感器通常采用差动输出方式。

电流传感器的工作原理引言概述：电流传感器是一种常用的电气测量设备，用于测量电路中的电流大小。

它基于一定的物理原理，通过将电流转换成其他形式的信号来实现测量。

本文将详细介绍电流传感器的工作原理。

一、电流传感器的基本原理1.1 电磁感应原理电流传感器的基本原理是基于电磁感应现象。

当电流通过导线时，会产生一个围绕导线的磁场。

电流传感器利用这个磁场来感应电流的大小。

它通常由一个线圈组成，当电流通过线圈时，线圈中的磁场会发生变化，从而产生感应电动势。

通过测量这个感应电动势的大小，我们可以间接地得到电流的值。

1.2 磁电效应原理除了电磁感应原理外，电流传感器还可以利用磁电效应来实现电流的测量。

磁电效应是指当磁场作用于某些特定材料时，会在材料中产生电势差。

电流传感器利用这个原理，在感应材料中放置电极，当电流通过感应材料时，磁场作用于感应材料，从而在电极之间产生电势差。

通过测量这个电势差的大小，我们可以得到电流的值。

1.3 热效应原理除了电磁感应和磁电效应，电流传感器还可以利用热效应来测量电流。

热效应是指当电流通过导体时，导体会因为电阻而产生热量。

电流传感器利用这个原理，在导体上放置一个温度传感器，当电流通过导体时，导体的温度会上升。

通过测量导体温度的变化，我们可以计算出电流的值。

二、电流传感器的类型2.1 闭环式电流传感器闭环式电流传感器是一种将测量电流通过导线环绕的方式实现的传感器。

它通常由铁芯和线圈组成，线圈通过铁芯包围电流所在的导线，从而感应出电流的大小。

闭环式电流传感器具有高精度和较低的非线性误差，适用于精密测量场合。

2.2 开环式电流传感器开环式电流传感器是一种将测量电流通过气隙传感的方式实现的传感器。

它通常由铁芯和线圈组成，线圈通过铁芯的气隙中感应电流的大小。

开环式电流传感器具有较大的测量范围和较高的线性度，适用于大电流测量场合。

2.3 非接触式电流传感器非接触式电流传感器是一种通过感应电磁场变化来测量电流的传感器。

电流传感器的工作原理电流传感器是一种用于测量电流的设备，它能够将电流转换为可测量的电信号。

电流传感器在许多领域中都有广泛的应用，如电力系统监测、工业自动化、电动车辆等。

一、电流传感器的基本原理电流传感器的工作原理基于安培定律和电磁感应原理。

当电流通过导线时，会产生一个磁场。

电流传感器通过感应这个磁场来测量电流的大小。

二、电流传感器的类型1. 电流互感器（CT）电流互感器是最常见的一种电流传感器。

它由一个绕组和一个磁芯组成。

当被测电流通过绕组时，会在磁芯中产生一个磁场，进而感应出一个次级绕组中的电压。

这个次级电压与被测电流成正比。

通过测量次级电压，可以计算出被测电流的大小。

2. 磁场传感器磁场传感器是一种基于霍尔效应的电流传感器。

它由霍尔元件和磁场传感器芯片组成。

当电流通过霍尔元件时，会产生一个垂直于电流方向的磁场。

磁场传感器芯片可以感应到这个磁场，并将其转换为电压信号。

通过测量这个电压信号，可以确定电流的大小。

3. 磁阻传感器磁阻传感器是一种基于磁阻效应的电流传感器。

它由一个磁敏电阻和一个磁场传感器芯片组成。

当电流通过磁敏电阻时，会改变磁敏电阻的电阻值。

磁场传感器芯片可以感应到这个电阻值的变化，并将其转换为电压信号。

通过测量这个电压信号，可以确定电流的大小。

三、电流传感器的特点和应用1. 非接触式测量电流传感器能够实现对电流的非接触式测量，不需要将传感器直接连接到被测电路中，避免了对被测电路的影响。

2. 高精度和可靠性电流传感器具有高精度和可靠性，能够提供准确的电流测量结果。

3. 宽测量范围电流传感器的测量范围通常较宽，可以满足不同电流值的测量需求。

4. 快速响应时间电流传感器具有快速的响应时间，能够及时捕捉到电流的变化。

电流传感器在电力系统监测、工业自动化、电动车辆等领域中有广泛的应用。

在电力系统监测中，电流传感器用于实时监测电力路线中的电流大小，以确保系统的正常运行。

在工业自动化中，电流传感器用于监测设备和机器的电流，以实现对其状态的监控和控制。

二阶梯度交叉耦合超导量子干涉仪电流传感器研制*徐达1) 钟青1)† 曹文会1) 王雪深1) 王仕建1)李劲劲1)‡ 刘建设2) 陈炜2)1) (中国计量科学研究院, 前沿计量科学中心, 北京　102200)2) (清华大学, 微电子学研究所, 北京　100084)(2020 年10 月31日收到; 2021 年2 月5日收到修改稿)√Hz √Hz超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device, SQUID)具有极低的噪声水平, 极高的磁场灵敏度和电流灵敏度, 可探测低噪声传感器的微弱电流信号. SQUID电流传感器已成为超导转变边缘探测器(transition-edge sensor, TES)等低噪声探测信号读出的唯一选择. 本文研制了一种针对TES信号读出应用的二阶梯度交叉耦合SQUID电流传感器. 根据TES的信号读出需求, 设计了SQUID电流传感器的结构和各项参数. 其中, SQUID环路、输入线圈和反馈线圈均采用二阶梯度结构. SQUID环路与输入线圈、反馈线圈均采用不同平面交叉耦合方式, 可有效地减弱寄生电容. 通过优化工艺, 成功地研制出基于Nb/Al-AlO x/Nb 约瑟夫森结的二阶梯度交叉耦合SQUID电流传感器. 液氦温区测试结果显示, 输入线圈电流灵敏度为17 µA/F0,磁通白噪声为2 µF0/, 电流白噪声为34 pA/. 在无磁屏蔽条件下的噪声测试结果显示, 二阶梯度交叉耦合SQUID电流传感器具有良好的抵抗环境电磁干扰能力.关键词：超导量子干涉仪, 超导转变边缘探测器, 磁通噪声, 电流噪声, 电流灵敏度PACS：85.25.Dq　DOI: 10.7498/aps.70.202018161 引　言超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device, SQUID)具有极高的探测灵敏度, 其等效能量分辨率接近量子极限, 是目前最灵敏的磁场传感器和电流传感器[1,2]. 因此, SQUID 的应用非常广泛, 不仅作为磁场传感器, 用于地磁、心磁和脑磁等微弱磁场信号的探测, 还作为电流传感器, 用于超导转变边缘探测器(transition-edge sensor, TES)、磁性金属微量能器等低噪声探测器的微弱电流信号读出[3,4]. 目前, SQUID电流传感器已发展成为TES的微弱信号读出的唯一选择, 与TES一起成为天文探测、粒子物理以及辐射计量等大型科学装置的关键核心器件[5−7]. 由于TES的噪声和阻抗很小, 与常用场效应晶体管放大器不匹配, 因此, 最初TES很少有实际应用. 在2000年前后, 美国国家标准技术研究院(NIST)研究人员使用SQUID电流传感器解决了这个问题[1],这是由于SQUID器件噪声很小, 而且阻抗与TES 匹配. 随后, NIST研究人员开始发展用于TES阵列读出的SQUID多种复用读出技术[8]. 在2010年* 国家重点研发计划(批准号: 2017YFF0206105)、国家自然科学基金(批准号: 61701470, 20161361354)和中国计量科学研究院(批准号: AKY1946, AKYZD2012)资助的课题.† 通信作者. E-mail: zhongq@‡ 通信作者. E-mail: jinjinli@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 之后, SQUID 的时分复用、码分复用和频分复用读出TES 阵列技术逐渐成熟[3], 同时, NIST 和海德堡大学又开始发展了微波复用SQUID 读出技术[9,10], 用于读出具有更多像素的TES 阵列.对于单个TES 信号读出, 一般采用两级SQUID 读出方案[11], 其中, 第一级采用低噪声水平的单个SQUID, 读取TES 的微弱电流信号变化; 第二级采用SQUID 阵列, 放大第一级SQUID 的输出信号. 第一级SQUID 通常与TES 一起工作, 极易受到外界磁场的干扰, 因此, 需将第一级SQUID 电流传感器设计成为梯度结构, 以减弱外界磁场的影响[12]. 目前, SQUID 电流传感器的梯度结构主要有一阶梯度结构和二阶梯度结构[8,11−16]. 其中, 一阶梯度SQUID, 结构简单、设计灵活, 多用于SQUID 阵列和高灵敏度的磁强计[17]; 而用于TES 信号读出的第一级SQUID 多采用二阶梯度结构, 相比于一阶梯度SQUID 结构, 可有效地提高抵抗电磁干扰的能力[11,12]. 在SQUID 器件中, SQUID 环路与输入线圈、反馈线圈的耦合方式主要有重叠耦合和交叉耦合两种方式. 这两种结构各有优缺点:重叠耦合SQUID 结构互感系数大, 但是存在较大寄生电容; 而交叉耦合SQUID 结构寄生电容相对较小, 但是互感系数较小. 为了满足不同信号大小的TES 读出需求, SQUID 器件的性能参数各不相同.√Hz √Hz 德国联邦物理研究院(PTB)发展了超高灵敏度的SQUID 器件[11,13,14,16,18,19], 研制的两级SQUID 放大器中第一级SQUID 为二阶梯度并联结构, 采用重叠耦合方式, 磁通噪声为1.2 µF 0/ . 美国Star Cryoelectronics 公司可提供不同输入电感的SQUID 产品[20,21], SQUID 环路采用一阶梯度结构和重叠耦合方式, 磁通噪声为2.4—4 µF 0/ .德国海德堡大学与德国PTB 合作发展了二阶梯度SQUID 电流传感器, SQUID 环路与输入线圈的互感为162 pH, 其电流灵敏度为13 µA/F 0[9,22,23].然而, 他们的器件中SQUID 环路和输入线圈、反馈线圈采用重叠耦合方式, 这种耦合方式与交叉耦合方式相比会产生更大的寄生电容. 而且, 他们器件的1/4 SQUID 环路采用正方形结构[23], 与正八边形结构相比, 对称性较差, 对于环境磁场抵消不利. NIST 发展了用于TES 阵列读出的多种SQUID 复用读出技术, 其中, 时分复用SQUID 电流传感器采用二阶梯度结构[8,10,12,24]. 中国科学院上海微√Hz 系统与信息技术研究所发展了用于微弱磁场测试的SQUID 磁强计, 采用一阶梯度结构和重叠耦合方式, 磁通噪声达到3—8 µF 0/ [17,25]. 但是国内用于TES 信号读出的SQUID 电流传感器仍然没有报道.本文将介绍自主研制的基于Nb/Al-AlO x /Nb 约瑟夫森结的二阶梯度正八边形交叉耦合SQU ID 电流传感器, 测试并讨论了在液氦温区此SQU ID 电流传感器的性能, 包括磁通-电压调制曲线、电流灵敏度、磁通和电流噪声水平.2 结构设计用于TES 信号读出SQUID 电流传感器环路主要有两种平面梯度结构[1,12,18,25−27]: 一阶梯度结构和二阶梯度结构, 如图1所示. 图1(a)为SQUID 环路等效结构示意图, SQUID 环路是由两个约瑟夫森结连接组成的环路非梯度结构;图1(b)为一阶梯度并联SQUID 环路结构, 其中SQUID 环路由两个线圈并联形成; 图1(c)为一阶梯度串联SQUID 环路结构, 其中SQUID 环路由两个线圈串联形成; 图1(d)为二阶梯度并联SQU ID 环路结构, 其中SQUID 环路由四个线圈并联形成. 当外磁场变化时, 一阶梯度SQUID 环路的两个线圈中产生的电流方向相反, 引起的SQUID 电压输出相反, 从而有效地抵消垂直于SQUID 平面的均匀磁场; 二阶梯度SQUID 是将两个一阶梯度的结果再次差分, 不仅消除了垂直于SQUID 平面的均匀磁场和线性变化磁场, 还可以消除垂直于(a)(b)(c)(d)图 1 (a) SQUID 环路示意图; (b) 一阶梯度并联SQUID 环路结构示意图; (c) 一阶梯度串联SQUID 环路结构示意图; (d) 二阶梯度并联SQUID 环路结构示意图Fig. 1. Schematic diagrams of (a) SQUID loop, (b) a first-order gradiometric parallel SQUID loop, (c) a first-order gradiometric series SQUID loop, and (d) a second-order gradiometric parallel SQUID loop.SQUID 平面磁场在SQUID 平面内的不均匀分布变化.参考文献[23,24,28]的SQUID 器件参数, SQU ID 输入电流灵敏度1/M IN 设计为10—30 µA/F 0,SQUID 环路与输入线圈的互感M IN 则为67—200 pH. 反馈电流灵敏度1/M FB 设计为50—150µA/F 0, SQUID 环路与反馈线圈的互感M FB 则为13—40 pH.βc =2πI 0R 2sh C J /Φ0βL =2I 0L SQ /Φ0依据此前研究经验[29], 约瑟夫森结的临界电流密度J 0可以在1—1.5 µA/µm 2间调控, 约瑟夫森结电容C J = SC s 约为 2 pF, 其中S 为约瑟夫森结面积, C s 为单位面积约瑟夫森结电容. 当约瑟夫森结面积S 为7 µm × 7 µm 时, 临界电流I 0为49—73 µA. 由于SQUID 工作要求回滞系数小于1, 约瑟夫森结的并联电阻R sh 要小于1.5 W . 根据SQUID 的设计原则, 一般取调制系数 为1—2之间最佳. 当I 0为49—73 µA 时, SQUID 环路电感L SQ 选取为13—40 pH.根据以上参数, 设计了用于TES 信号读出的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器, 其结构如图2所示, SQUID 环路(SQ)、输入线圈(IN)、反馈线圈(FB)均采用二阶梯度结构. SQUID 环路与输入线圈、反馈线圈均采用不同平面交叉耦合方式, 其等效电路图如图3所示.200 m mFB +FB -IN +SQ +IN -SQ -图 2 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器扫描电子显微镜图Fig. 2. Scanning electron microscope picture of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.SQUID 环路由四个正八边形槽垫圈并联组成, 其中每个槽垫圈由三个正八边形并联组成, 边长分别为17 µm, 33 µm 和45 µm. 输入线圈和反馈线圈分别与每个正八边形槽垫圈有2.5匝和0.5匝的耦合区域, 线圈的绕向极性与SQUID 环路相匹配. 两个约瑟夫森结在SQUID 环路中间,每个约瑟夫森结有两个10 µm 宽, 3 µm 长的并联电阻, 按照方块电阻值为5.6 W /□, 有效并联电阻为0.84 W . 回滞系数b c 的设计值为0.2, 确保在mK 温区实现小的噪声参数, 同时也可保证约瑟夫森结发生变化时SQUID 仍可以稳定运行. 为了减小热电子效应, 约瑟夫森结并联电阻与散热片相连.≈≈这种并联电感的设计可以增大SQUID 环路与输入线圈、反馈线圈的耦合面积, 从而提高两者之间的磁通耦合系数, 同时减小了SQUID 环路电感,增强SQUID 电流传感器的抗干扰能力. 根据SQU ID 原理[1], SQUID 的磁通噪声S F ≈ 16k B TL 2/R ,磁通电压转换系数V F 1/(πLC )1/2, 噪声能量e 16k B T (LC )1/2. 由此可知, 二阶梯度SQUID 环路中四个槽垫圈并联, 减小了SQUID 环路电感, 使得SQUID 的磁通-电压转换系数增大, 磁通噪声和噪声能量减小.M FB =k FB (L SQ L FB )1/2通过对二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的各个部分电感和互感进行仿真计算[30], 得到SQUID 环路电感L SQ 为33 pH, 输入线圈电感L IN 为3 nH, 反馈线圈电感L FB 为1 nH, SQUID 环路与输入线圈互感M IN = k IN (L SQ L IN )1/2为130 pH,SQUID 环路与反馈线圈互感 为36 pH. 因此, 设计的SQUID 电流传感器的输入电流灵敏度1/M IN 为15 µA/F 0, 反馈电流灵敏度1/M FB 为56 µA/F 0. 表1总结了二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的设计参数.SQ ++-图 3 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器等效电路图Fig. 3. Equivalent circuit of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.3 器件制备在有SiO 2绝缘层的单晶硅片衬底上, 采用直流磁控溅射生长Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜. Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜沉积的背景真空优于5 × 10–8Torr (1 Torr = 1.33322 × 102 Pa). 底层Nb 电极和上层Nb 电极的厚度分别为200和120 nm, Al-AlO x 的厚度为12 nm. Al 膜在不破坏真空的条件下, 使用高纯氧气氧化. 通过控制氧化压强和氧化时间来控制AlO x 势垒层的厚度, 从而调控约瑟夫森结临界电流密度. 在气压为0.5 Torr 的氧气中氧化15 h. 在生长Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜后, 对Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜进行光刻和刻蚀工艺: 采用反应离子刻蚀(reactive ion etching, RIE)在SF 6气体中对上层和下层Nb 膜进行图形化, 定义约瑟夫森结区和底电极图形; 采用湿法腐蚀对Al-AlO x 势垒层进行图形化, Al-AlO x 势垒层面积大于约瑟夫森结区的上层Nb 膜面积, 避免了约瑟夫森结区不可控制地侧向腐蚀. 之后, 使用等离子增强化学气相沉积系统(ICP-CVD)生长350 nm SiO 2绝缘层, 并通过ICP-RIE 刻蚀技术在CHF 3和O 2的混合气体中定义通孔结构. 采用电子束蒸发制备钯金(PdAu)电阻层, 并采用剥离的方式形成结构. PdAu 的厚度为100 nm, 方块电阻值为5.6 W /□. 最后, 采用直流磁控溅射法生长400 nm 厚的Nb 线层, 通过RIE 法在SF 6气体中刻蚀得到输入线圈、反馈线圈, 并实现结与电阻的连接. 最终制备出二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器, 其扫描电子显微镜图像如图2所示.4 性能测试和讨论SQUID 电流传感器工作时需要低温环境和良好的磁屏蔽环境. 利用铝合金液氦杜瓦提供液氦温区工作环境. 采用坡莫合金屏蔽筒内置铅超导屏蔽筒来提供良好的磁屏蔽. 使用低温胶将制备的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器芯片固定到样品托上, 并通过PCB 板接线到SQUID 电子学系统,最后将装有SQUID 器件的样品杆置于液氦杜瓦中进行低温性能测试. SQUID 电流传感器的I -V 曲线通过传统的四电极法测试得到, 使用乐真F2002程控精密电流源输入电流, 安捷伦34420A 电压表读取电压. 使用Magnicon GmbH 公司的低噪声、高增益SQUID 电子学系统XXF-1[31]测试V -F 特性曲线. 该SQUID 电子学系统电压噪声极低, 可实现低噪声SQUID 电流传感器的磁通锁定工作.将SQUID 器件磁通锁定在1/4F 0处后, 采用动态信号分析仪HP35670A 测试SQUID 器件的噪声曲线.图4显示的是在不同温度下二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的电流-电压(I -V )曲线. 从图4可知, 该器件是非回滞的, 临界电流I c 在4.2—7.7 K 下为168—57 µA, 随着温度的升高, 器件的临界电流逐渐降低. 根据此I -V 曲线正常态的斜表 1 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的设计参数Table 1. Design parameters of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.参数设计值约瑟夫森结尺寸S /(µm × µm)7 × 7约瑟夫森结临界电流I 0/µA 49约瑟夫森结电容C J /pF2并联电阻R sh /W 0.84回滞系数b c 0.2调制系数b L1.6SQUID 环路电感L SQ /pH 33SQUID 环路与输入线圈互感M IN /pH 130SQUID 环路与反馈线圈互感M FB /pH36输入线圈电感L IN /nH 3反馈线圈电感L FB /nH 1输入电流灵敏度1/M IN /(µA·F 0–1)15反馈电流灵敏度1/M FB /(µA·F 0–1)56-50-40-30-20-1001020304050-0.3-0.2-0.100.10.20.3 6.2 K 6.9 K 7.7 K/m A/m V4.2 K 4.5 K5.0 K 5.5 K 图 4 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的电流-电压曲线Fig. 4. Current-voltage curves of the second-order gradio-metric cross-coupled SQUID current sensor.率, 得到约瑟夫森结的并联电阻R sh 为1 W .图5显示了二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器输入线圈的电压-磁通(V -F )调制曲线. 设置输入线圈的电流从0增大到100 µA 时, 呈现约5.8个周期. 输入线圈的电流灵敏度1/M IN 为17 µA/F 0,SQUID 环路与输入线圈的互感M IN 为117 pH. 这与表1中输入电流灵敏度1/M IN 设计值15 µA/F 0和SQUID 环路与输入线圈的互感仿真结果130 pH相一致.I 0≈I b ,max /2+k B T (1+√1+I b ,max Φ0/k B T )/Φ0βc =2πI 0R 2shC J /Φ0图6显示的是二阶梯度交叉耦合SQUID 器件的反馈线圈的电压-磁通(V -F )调制曲线. V -F 调制曲线的峰峰值最大为31 µV, 磁通-电压转换系数为108 µV/F 0. 使用具有良好磁屏蔽效果的坡莫合金和铅屏蔽罩时, 二阶梯度交叉耦合SQUID 器件在4.2 K 工作时V -F 调制曲线的调制深度最大时对应的偏置电流I b,max 为215 µA. 根据公式[32],I b,max 为V -F 调制曲线峰峰值最大时SQUID 器件的偏置电流, 估算SQUID 器件中约瑟夫森结的临界电流I 0为110 µA. 回滞系数 为0.67, SQUID 器件中的约瑟夫森结为过阻尼结. 而使用具有没有磁屏蔽效果的不锈钢罩时,SQUID 器件的I b,max 为218 µA. 因此, 在不同屏蔽环境下SQUID 器件的I b,max 变化不大, 也说明SQUID 器件的临界电流受热噪声和外界磁场的影响不大.设置反馈线圈的电流从0增加到250 µA 时,反馈线圈V -F 曲线呈现约2.9个周期. 反馈线圈的电流灵敏度1/M FB 为86 µA/F 0, SQUID 环路与反馈线圈的互感M FB 为24 pH. 这与表1中反馈电流灵敏度1/M FB 设计值56 µA/F 0和SQUID 环路与反馈线圈的互感仿真结果36 pH 相接近.√S V √Hz √S Φ=(√S V /R f )M FB √Hz √S I =√S Φ/M IN √Hz 为了评估二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的抗环境干扰能力, 对比测试具有良好磁屏蔽的坡莫合金/铅屏蔽筒和没有磁屏蔽效果的不锈钢套筒下的噪声水平. 将SQUID 电流传感器的工作点磁通锁定在图6中 V -F 曲线的1/4 F 0处, 测试结果如图7所示. 为了避免SQUID 电子学中前置放大器的噪声的影响, 通过磁通锁定环的反馈电路计算了该器件的磁通噪声曲线, 电压白噪声 为1.7 µV/ , 反馈电路中反馈电阻R f 为10 k W , 其磁通白噪声 为2 µF 0/ ,电流白噪声 为34 pA/ , 1/f 拐点频率约为200 Hz, 可满足部分TES 对SQUID 电流传感器的噪声要求[10]. 从图7可以看出, 当频率f < 20 Hz 时, 在无磁屏蔽条件下测试二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器得到的噪声水平比在良好磁屏蔽条件下测试得到的噪声大. 在0.1 Hz 处, 无磁屏蔽条件下比良好磁屏蔽条件下测试得到的噪声水平增大了一个量级. 而在低频下,非梯度SQUID 器件在无磁屏蔽下比良好磁屏蔽下的噪声水平增大了三个量级[18]. 当频率f > 20 Hz 时, 无磁屏蔽条件下和良好磁屏蔽条件下测试得到的噪声水平相当. 这说明该二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器可在无磁屏蔽环境下工作, 具有良好的抵抗环境电磁干扰能力.01234561020304050 /m V( 0)图 5 二阶梯度交叉耦合SQUID 输入线圈的电压-磁通调制曲线Fig. 5. Voltage-flux curve for the input coil of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.01020304050/m V( 0)图 6 二阶梯度交叉耦合SQUID 反馈线圈的电压-磁通调制曲线Fig. 6. Voltage-flux curve for the feedback coil of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID.1/f 噪声主要来自约瑟夫森结的临界电流涨落和SQUID器件中捕获磁通线的运动[1]. 1/f噪声拐点频率较高可能与约瑟夫森结的尺寸、临界电流和SQUID 梯度结构捕获磁通的能力有关. 减小约瑟夫森结尺寸, 降低临界电流, 可抑制临界电流涨落, 同时, 减小约瑟夫森结尺寸, 可减弱对磁场线的捕获能力.√Hz 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的液氦温区相关的测试结果总结在表2. 由表2可以看出,研制的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器可以初步用于TES 的信号读出, 电流分辨率达到34 pA/ . 进一步优化输入线圈匝数和SQUID 环路大小, 提高SQUID 环路与输入线圈之间的互感, 可以提高二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的输入电流灵敏度, 从而降低电流噪声水平; 进一步减小约瑟夫森结尺寸, 降低临界电流, 降低1/f 拐点频率, 满足更微弱、更低频信号变化的TES 探测要求.5 结　论√Hz √Hz 本文研制了基于Nb/Al-AlO x /Nb 约瑟夫森结的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器, 其中SQUID 环路、输入线圈和反馈线圈都是二阶梯度结构, SQUID 与输入线圈、反馈线圈采用不同平面交叉耦合方式, 实现了器件的输入电流灵敏度达到17 µA/F 0, 磁通白噪声达到2 µF 0/ , 电流白噪声达到34 pA/ . 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器具有良好的抵抗环境电磁干扰能力. 未来将进一步优化二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器中SQUID 环路与输入线圈的互感, 优化约瑟夫森结尺寸和临界电流, 从而提高器件的电流灵敏度, 降低电流噪声水平, 降低1/f 拐点频率, 满足更微弱电流信号变化的、更低频下TES 应用的需求.感谢中国计量科学研究院杨雁、张明宇和倪泽刚的讨论和帮忙.参考文献C larke J, Braginski A I 2004 The SQUID Handbook (Vol. 1)(KgaA, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.) pp1−210[1]G ranata C, Vettoliere A, Russo R, Fretto M, de Leo N,Lacquaniti V 2013 Appl. Phys. Lett. 103 102602[2]U llom J N, Bennett D A 2015 Supercond. Sci. Technol. 28084003[3]J ackson B D, Korte P A J, Kuur J, Mauskopf P D, Beyer J,Bruijn M P, Cros A, Gao J R, Griffin D, Hartog R, Kiviranta M, Lange G, Leeuwen B J, Macculi C, Ravera L, Trappe N,Weers H, Withington S 2012 IEEE Trans. Terahertz Sci. and Technol. 2 12[4]H enderson S W, Ahmed Z, Austermann J, Becker D, BennettD A, Brown D, Chaudhuri S, Cho H M S, D'Ewart J M,Dober B, Duff S M, Dusatko J E, Fatigoni S, Frisch J C,Gard J D, Halpern M, Hilton G C, Hubmayr J, Irwin K D,KarpelE D, Kernasovskiy S S, Kuenstner S E, Kuo C L, Li D, Mates J A B, Reintsema C D, Smith S R, Ullom J, Vale L R, Winkle D D V, Vissers M, Yu C 2018 Proc. SPIE,Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy IX Texas, United States, June 10−15 2018 p1070819[5]C ui W, Chen L B, Gao B, Guo F L, Jin H, Wang G L, WangJ J, Wang W, Wang Z S, Wang Z, Yuan F, Zhang W 2020 J.Low Temp. Phys. 199 502[6]10-1100101102103104100101102103/Hz不锈钢套筒坡莫合金/铅屏蔽筒101102103104/(p A S H z-1)/(m 0S H z -1)图 7 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的噪声曲线Fig. 7. Noise curves of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.表 2 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的性能参数Table 2. Property parameters of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.参数实测值偏置电流I b, max /µA 215并联电阻R sh /W 1回滞系数b c0.67输入电流灵敏度1/M IN /(µA·F 0–1)17反馈电流灵敏度1/M FB /(µA·F 0–1)86磁通-电压转换系数V F /(µV·F 0–1)108最大调制峰值V pp /µV31√S Φ√Hz 磁通白噪声 /(µF 0· –1)2√S I √Hz 电流白噪声 /(pA· –1)34SQUID 环路与输入线圈互感M IN /pH 117SQUID 环路与反馈线圈互感M FB /pH24S chmidt M, Helversen M, López M, Gericke F, SchlottmannE, Heindel T, Kück S, Reitzenstein S, Beyer J 2018 J. Low Temp. Phys. 193 1243[7]I rwin K D 2002 Physica C 368 203[8]K empf S, Wegner M, Fleischmann A, Gastaldo L, HerrmannF, Papst M, Richter D, Enss C 2017 AIP Adv. 7 015007[9]B ennett D A, Mates J A B, Gard J D, Hoover A S, Rabin MW, Reintsema C D, Schmidt D R, Vale L R, Ullom J N 2015IEEE Trans. Appl. Supercond. 25 2101405[10]D rung D, Abmann C, Beyer J, Kirste A, Peters M, Ruede F,Schurig T 2007 IEEE Trans. Appl. Supercond. 17 699[11]S tiehl G M, Cho H M, Hilton G C, Irwin K D, Mates J A B,Reintsema C D, Zink B L 2011 IEEE Trans. Appl.Supercond. 21 298[12]B eyer J, Drung D 2008 Supercond. Sci. Technol. 21 095012[13]S churig T 2014 J. Phys. Conf. Ser. 568 032015[14]S ilva-Feaver M, Arnold K, Barron D, Denison E V, Dobbs M,Groh J, Hilton G, Hubmayr J, Irwin K, Lee A, Vale L R 2018J. Low Temp. Phys. 193 600[15]S churig T, Trahms L 2009 IEEE CSC & ESAS EuropeanSuperconductivity News Forum 3 RN9[16]H an H X, Zhang G F, Zhang X, Liang T T, Ying L L, WangY L, Peng W, Wang Z 2019 Acta Phys. Sin. 68 138501 (in Chinese) [韩昊轩, 张国峰, 张雪, 梁恬恬, 应利良, 王永良, 彭炜,王镇 2019 物理学报 68 138501][17]D rung D 2016 IEEE CSC & ESAS European Supercon-ductivity News Forum 10 CR70[18]S QUID sensors, Magnicon GmbH [2021-02-07][19]L TS Sensors, STAR Cryoelectronics [2021-02-07][20]C antor R, Hall J A, Matlachov A N, Volegov P L 2007 IEEETrans. Appl. Supercond. 17 672[21]K empf S, Ferring A, Fleischmann A, Gastaldo L, Enss C,2013 Supercond. Sci. Technol. 26 065012[22]K empf S, Ferring A, Fleischmann A, Enss C 2015 Supercond.Sci. Technol. 28 045008[23]D oriese W B, Morgan K M, Bennett D A, Denison E V,Fitzgerald C P, Fowler J W, Gard J D, Hays-Wehle J P,Hilton G C, Irwin K D, Joe Y I, Mates J A B, O’Neil G C,Reintsema C D, Robbins N O, Schmidt D R, Swetz D S,Tatsuno H, Vale L R, Ullom J N 2016 J. Low Temp Phys 184389[24]Z hang X, Zhang G, Wang Y, Rong L, Zhang S, Wu J, Qiu L,Xie X, Wang Z 2019 IEEE Trans. Appl. Supercond. 291600503[25]K uriki S, Isobe Y, Mizutani Y 1987 J. Appl. Phys. 61 781[26]C arelli P, Chiaventi L, Leoni R, Pullano M, Spagnolo G S1991 Clin. Phys. Physiol. Meas. 12 13[27]B eyer J, Drung D, Peters M, Schurig T, Bandler S R 2009IEEE Trans. Appl. Supercond. 19 505[28]X u D, Li J, Cao W, Liu J, Chen W 2020 Conference onPrecision Electromagnetic Measurements Denver, United States, August 24−28 2020 p9191689[29]F ourie C J, Perold W J 2005 IEEE Trans. Appl. Supercond.15 300[30]D rung D, Hinnrichs C, Barthelmess H 2006 Supercond. Sci.Technol. 19 S235[31]D rung D, Ludwig F, Müller W, Steinhoff U, Trahms L, KochH, Shen Y Q, Jensen M B, Vase P, Holst T, Freltoft T, Curio G 1996 Appl. Phys. Lett. 68 1421[32]A second-order gradiometric superconducting quantum interference device current sensorwith cross-coupled structure *Xu Da 1) Zhong Qing 1)† Cao Wen -Hui 1) Wang Xue -Shen 1)Wang Shi -Jian 1) Li Jin -Jin 1)‡ Liu Jian -She 2) Chen Wei 2)1) (Center for Advanced Measurement Science , National Institute of Metrology , Beijing 102200, China )2) (Institute of Microelectronics , Tsinghua University , Beijing 100084, China )( Received 31 October 2020; revised manuscript received 5 February 2021 )Abstract√Hz √Hz Superconducting quantum interference device (SQUID) has extremely high magnetic field sensitivity,current sensitivity, and can detect a low-noise weak current signal. The SQUID current sensor has become the only option of the readout of low-noise detector, such as transition-edge sensor (TES). In this paper, a second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor for TES application is developed. According to the requirements for TES detectors, the structure and various parameters of SQUID current sensor are designed.The SQUID loop, input coil and feedback coil of the SQUID current sensor all use the second-order gradiometric structure. All the couple ways between SQUID loop and input coil or feedback coil adopt cross-coupling mode in different planes, which can effectively weaken the parasitic capacitance. A second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor based on Nb/Al-AlO x /Nb Josephson junction is successfully fabricated on a silicon wafer by optimizing the process. The properties of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor are measured at liquid helium temperature. The bias current of SQUID is 215 µA when the modulation depth of V -F modulation curve is maximum. The maximum modulation peak of SQUID is 31 µV. The flux-to-voltage transfer coefficient of SQUID is 108 µV/F 0. The input coil current sensitivity is 17 µA/F 0, the mutual inductance between SQUID loop and input coil is 117 pH. The current sensitivity of feedback coil is 86 µA/F 0, the mutual inductance between SQUID loop and feedback coil is 23 pH.The second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor has a white flux noise of 2 µF 0/ and awhite current noise of 34 pA/ with 1/f corner frequency around 200 Hz. The result of noise level under the condition without magnetic shielding shows that the SQUID current sensor with second-order gradiometric cross-coupled structure has an excellent capability of weakening the environmental electromagnetic interference.In the future, we will further improve the mutual inductance of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor between SQUID loop and input coil, optimize the size and critical current of Josephson junction, in order to improve the input sensitivity of SQUID device, reduce the current noise level and the 1/f corner frequency, and meet more requirements for TES applications.Keywords: superconducting quantum interference device, transition-edge sensor, flux noise, current noise,current sensitivityPACS: 85.25.Dq DOI: 10.7498/aps.70.20201816* Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFF0206105), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61701470, 20161361354), and the National Institute of Metrology China (Grant Nos.AKY1946, AKYZD2012).† Corresponding author. E-mail: zhongq @‡ Corresponding author. E-mail: jinjinli @。

电力电子技术中的电流传感器阻抗匹配方法在电力电子技术领域中，电流传感器起着至关重要的作用。

它们被广泛应用于电力系统、电机控制以及能源管理等方面。

而电流传感器的准确性和性能取决于其阻抗匹配方法。

一、引言在电力电子技术中，电流传感器用于测量电流大小和方向，以监测系统的运行状况。

为了提高传感器的准确性和性能，电流传感器的阻抗需与测量电路相匹配。

二、阻抗匹配方法1. 阻抗测量为了进行阻抗匹配，首先需要测量电流传感器的阻抗。

这可以通过使用阻抗测量仪器或专用测量电路来完成。

在测量阻抗时，需要确保传感器处于正常工作条件下，并在合适的频率范围内进行测量。

2. 阻抗匹配原则在阻抗匹配过程中，应遵循以下原则：- 匹配传感器的输出阻抗和接收电路的输入阻抗，以确保传输功率最大化。

- 确保传感器的输出阻抗与电源负载的阻抗相匹配，以最大限度地提高传感器的效率和性能。

- 根据实际需求，优化阻抗匹配，以平衡传感器的准确性、带宽和动态响应。

3. 阻抗匹配技术为了实现电流传感器的阻抗匹配，可以采用以下技术：- 使用电阻和电容等被动元件来调整传感器的输出阻抗，以使其与接收电路的输入阻抗相匹配。

- 利用变压器或耦合电感等互感器件来实现阻抗的匹配和电流的传输。

- 使用电流传感器集成电路来实现自动阻抗匹配，通过内部电路调整传感器的输出阻抗，以适应不同的应用需求。

4. 实例分析以电力系统中的电流传感器为例，阻抗匹配可以通过选择合适的耦合电感和电容来实现。

在高电流传感器中，使用互感器件可以实现高频率下的阻抗匹配，提高系统的响应速度和准确性。

同时，通过合理设计电流传感器集成电路，可实现自动阻抗匹配，适应复杂的电力电子系统。

三、结论电力电子技术中的电流传感器阻抗匹配方法对于提高系统的准确性和性能至关重要。

在阻抗匹配过程中，需要遵循匹配传感器输出阻抗和接收电路输入阻抗的原则，并选择合适的匹配技术。

通过有效的阻抗匹配，可实现电流传感器的优化性能，提高电力电子系统的运行效率。

电流传感器的工作原理电流传感器是一种用于测量电流的设备，它能够将电流转换为可测量的信号输出。

它在电力系统、工业自动化、能源管理等领域中广泛应用。

下面将详细介绍电流传感器的工作原理。

1. 电流传感器的基本原理电流传感器基于安培定律和法拉第定律，利用电磁感应的原理来测量电流。

根据电流传感器的结构和工作原理的不同，可以分为电磁式电流传感器、霍尔效应电流传感器和电阻式电流传感器等。

2. 电磁式电流传感器的工作原理电磁式电流传感器利用电流通过导线时产生的磁场来测量电流。

它由一个磁芯和绕在磁芯上的线圈组成。

当电流通过被测导线时，产生的磁场会影响到磁芯上的线圈，从而在线圈上感应出电压信号。

通过测量这个感应电压信号的大小，就可以确定电流的大小。

3. 霍尔效应电流传感器的工作原理霍尔效应电流传感器利用霍尔元件的特性来测量电流。

霍尔元件是一种基于霍尔效应的半导体器件，当电流通过霍尔元件时，会在器件内产生磁场。

这个磁场会影响到霍尔元件上的霍尔电压，从而使霍尔电压发生变化。

通过测量霍尔电压的变化，就可以确定电流的大小。

4. 电阻式电流传感器的工作原理电阻式电流传感器利用电流通过电阻时产生的电压来测量电流。

它由一个电阻和一个测量电压的电路组成。

当电流通过被测电阻时，根据欧姆定律，电流通过电阻时会产生电压降。

通过测量这个电压降的大小，就可以确定电流的大小。

5. 电流传感器的特点和应用电流传感器具有体积小、重量轻、精度高、响应快等特点，广泛应用于电力系统中的电流监测、电能计量、故障检测等方面。

在工业自动化中，电流传感器用于电机控制、电力变频器、电力电子设备等的电流监测和保护。

在能源管理中，电流传感器用于电力负荷监测、能源消耗分析等方面。

总结：电流传感器是一种用于测量电流的设备，根据不同的工作原理可以分为电磁式、霍尔效应和电阻式电流传感器。

电流传感器利用电磁感应、霍尔效应和电阻的原理来测量电流，并将其转换为可测量的信号输出。

它具有体积小、重量轻、精度高、响应快等特点，广泛应用于电力系统、工业自动化和能源管理等领域。