【硬核】为什么精密计量领域都在抢磁通门？看完这篇就明白了它跟霍尔的区别

做电量测量这么多年的经历中，我遇到过的最头疼的情况就是：既要测量直流电，又要达到0.01%的精度，并且不能有噪声、不能丢失信号。

霍尔传感器在早期的时候就无法满足“三要”的需求了。后来接触到磁通门（Fluxgate）传感器之后才知道原来高精度电流检测有“天花板”，而这个天花板就是磁通门所能达到的。

今天要讲的就是在精密测量领域大放异彩，在工业界却很少有人知道的一种传感器技术。

一、电流测量为什么总是差那么一点呢？

在谈论磁通门之前，我们先来谈谈行业的痛点。

直流侧电流检测是新能源汽车领域的一个难题。光伏组件的微弱电流、储能电池的SOC估算、充电桩的计费精度等等，在这些场景下对电流测量的要求，并不是“±1%”可以应付得了的。

一般的开环霍尔传感器，零点漂移、温漂、非线性误差加在一起，随便一测就跑出0.5%-2%。闭环霍尔可以稍微好一点，但是精度只能做到0.1%，并且零点漂移依然存在，在高温下更加严重。

霍尔传感器本身就是一个“磁场转电压”的元件，其误差来源很多，并且与温度有关。

那么问题来了，是否有一种传感器可以将直流精度做到0.01%以上，并且具有很低的噪声水平呢？

有。这就是磁通门传感器。

二、磁通门传感器的工作原理是什么？那么它的精度可以达到如此之高吗？

磁通门的工作原理，虽然很复杂，但是也很简单。

主要的思想就是：通过交流励磁使磁芯达到饱和状态，并且去检测被测磁场对于这个饱和过程所产生的影响。

假设你有一个容易被磁化的细铁棒，旁边放着一块磁铁。用铁棒快速地进行反复的摇晃（相当于交流励磁），铁棒就会产生周期性的磁化现象，并且达到饱和状态。在外加磁场较弱的情况下，饱和时间点会有微小的变化；在外加磁场较强的时候，饱和时间点的变化就比较明显了。利用对“相位偏移”的检测可以得到外加磁场的大小。

磁通门技术原理图

该过程的一个重要特点是检测的是交流励磁信号的相位变化，并非直流信号的直接放大。这样就使得磁通门有如下几个优点：

零点漂移

磁通门检测的原理就是相位检测，理论上没有霍尔传感器那样的固有的零点偏移。如果有的话，也是由于磁芯特性造成的系统性的偏差，可以经过精密校准来消除。

温漂很小

霍尔温漂由半导体材料中载流子浓度随温度的变化引起，而磁通门的主要组成部分为磁芯、线圈等，其材料性质对温度变化的影响较小。在-40℃～+85℃的工作温度区间内，磁通门的温漂一般能保持在10ppm/℃之内。

3、噪声密度很低

磁通门的法宝就是这个。高品质的磁通门传感器噪声密度可以做到几十pT/√Hz，比最好的霍尔传感器低一个到两个数量级。

4. 频带可以做到很宽

从直流到几十kHz都保持平坦的频率响应，对于要同时测量直流和纹波的情况来说是必须的。

但是磁通门也有自己的缺点：结构比较复杂，不能做到像霍尔那样小，成本也很高。因此它目前主要应用在精度要求高的场合，并没有达到降低成本、减小体积的目的。

三、磁通门在精密计量中有什么样的硬核应用呢？

说了这么多原理、优势之后，在什么场景下可以见到磁通门的身影呢？

电能计量标准源头

国家电网所有的0.01级以上的标准电能表，基本上都是用磁通门电流传感器。国家标准的传递要有一个“原器”作为溯源基准，该基准的精度非常高，磁通门是少数可以满足0.001%量值溯源需求的传感器技术。

功率分析仪、高精度万用表

福禄克、Yokogawa这样的高端功率分析仪品牌，在电流测量模块中，高端型号大都采用的是磁通门技术。功率分析仪测量的主要内容就是P=U×I×cosφ，电流的0.01%误差就会造成功率的0.01%误差，在1MW级的光伏电站里就是100W的误差——这样的误差无论如何都是不能容忍的。

3. 电池测试、化成设备

动力电池充放电测试时要准确地记录每一块电池的容量，误差一般要求在0.1%以内。用磁通门传感器作为电流采集元件的话，就可以很好地消除零点漂移对于累计电量精度的影响。在电芯生产企业化的车间中这是必需的。

4、粒子加速器、科研设备

这个比较冷门但是技术含量很高。中科院以及一些高校的加速器实验室中，要对束流强度进行实时测量，精度达到ppm级，磁通门是其中为数不多的技术途径。

5 地磁观测、无损检测

地磁场只有几十微特斯拉左右，但是它的变化非常微小，需要使用磁通门来观察地磁的细微变化。在工业无损检测中，利用磁通门探头与励磁线圈相结合的方式可以对金属表面的小裂痕、缺陷进行检测。

四、磁通门和霍尔的选择指南

看到这里的时候，你会想问：既然磁通门这么好，什么时候用它，什么时候用霍尔？

我的经验是这样的：

指标、磁通门传感器、闭环霍尔传感器、开环霍尔传感器

直流精度为0.001%-0.01%，0.1%-0.5%，1%-2%

噪声密度为pT/√Hz、nT/√Hz或者μT/√Hz

温漂≤10ppm/℃、50～100ppm/℃、几百ppm/℃

频带宽度为DC～几十kHz、DC～100kHz+、DC～几十kHz

大小、中等、小

成本：高、中等、低

典型的价格是几千到几万之间，几百到几千之间，几十到几百之间

选择型号建议：

精度要求小于等于0.01%，并且涉及到直流分量的时候就用磁通门，没有别的选择了

精度为0.1%-0.5%，以交流为主，闭环霍尔是最好的选择

精度为1%以上，成本敏感时，开环霍尔就足够了

大电流（大于500A）的情况，应该选择霍尔、磁通门，在大电流的应用中，磁通门的成本压力更大

空间有限的高温环境下，霍尔的体积、温度适应性优势更加突出

如果你在储能BMS或者光伏逆变器领域进行系统设计的话，我的建议是：主要节点用磁通门作为校准标准，主回路用霍尔进行日常检测，两者结合使用。这样既可以保证主要参数的溯源精度，又可以控制整个系统的成本。

五、国产磁通门的发展前景和期望

诚然，在精密磁通门传感器方面，目前欧美日系的老牌企业（Danisense、LEM、Ferrocore等）仍然处于领先地位，而国内磁通门在材料工艺以及信号处理方面还有待提高。

但是从另一个角度来说，这也就意味着该赛道的国产替代空间很大。国内有一些研究所以及企业在该领域持续进行研究，据我所知，广东珠海有一家民营企业做得就不错（据说它还有天津工厂，有特殊装备资质），高精度磁通门的国产化速度比我想象中要快得多。

作为工程师的我当然也希望有更多的国产力量参与到这个赛道中来——不光是制造出传感器，而且要把整个高精度测量生态系统做好，包括校准服务、标准传递、数据溯源体系等等软实力。

附言

磁通门并不是什么新东西，已经有上百年的历史了。但是到现在为止，它仍然是精密直流测量的天花板级别的方案。在新能源汽车、电动汽车以及精密制造等行业飞速发展的同时，高精度电流测量的需求也正从高端场景向主流场景蔓延开来。

希望本文能够帮助大家了解磁通门的应用范围，在选择精度的时候不会对磁通门产生误解。

霍尔电流传感器温漂分析及补偿方法

《新能源领域电流传感器选型白皮书》

在你们的项目里有没有用到过磁通门传感器呢？选择的时候遇到了哪些问题？评论区可以畅所欲言。