LEM 高精度大电流传感器IT 600-S及其应用

一、问题引出：精密大电流测量方法对比

范围
所谓大电流，范围比较模糊。一般是说不太常见、难于找到接测量仪器、也难于产生的 较大的电流（范围）。
有一说，>=30A就算大电流，此时绝大多数万用表都不能直接测量了，而常见的电源也少有能输出30A的。
另一说，要>=100A才算真正的大电流，本帖以此为准。当然，某些行业的人员可以说，我这里1000A都算小电流。
至于此处大电流是指直流还是交流？全包括，即交直流。如果只有直流或只有交流的场合，会单独说明。
另外，所谓“精度”、“精密”的说法，也很含混的，因此在后面具体指标上，是不会出现的。


意义
大电流在工业、电力等行业广泛存在，如何测试、计量大电流，如何产生标准大电流因此也都是必须的。


困难
大电流由于载流的关系，要比较粗的引线和相关接头、电源，也涉及较大的发热功率，因此无论是体积、重量、价格都很壮观；
简单而精密大电流测量，往往一下子就想到用分流器，比如Fluke A40B，不过这个的体积、价格和附加装备往往大到难以让人接受。


大电流比较仪，高端的东西，轻而易举取得亚ppm，但太贵族了，一般单位伺候不起，这里就尽量不纸上谈兵了。
精密大电流的产生不仅需要精密的电流测量装置，而且需要大功率、综合电源技术。
各种钳表，测量大电流尽管很容易，但多为线性霍尔原理，与高精度无缘；罗氏线圈也不行，因此本帖以后也不会加以讨论。


方法
M1 分流器
分流器是最常见的测量电流的方法，不过一旦涉及大电流和高精度，就变得复杂起来。首先50mV-75mV太小，而高精度要求较高的满度电压输出，这样才能减少热电动势的影响并给后续测量电路提供方便，但大电流情况下的高电压输出势必产生很大的功率和热量，这样不仅对被测电路可能有影响，更主要是发热引起热电动势和非常大的温漂，当然还有应力和加速老化问题。例如100A电流要是输出1V电压，那功率就是100W了，这种发热功率必须及时尽量散发出去，才能保证因温度系数而引起的漂移减到最低。
0.1级100A的分流器我有一个，内阻0.75mR，但测量了一下，尽管满足出厂指标，但偏差、温漂都不小，不适合作为高精度使用。



我用的比较多的是这个L&N 4223 1mR标准电阻，可以100A（指标如此，当然时间不能长），很准（10ppm级），温漂也不大（ppm/K级）


另外就是曾经传说中的RUG-Z了，可以低达1ppm/K的温漂，这里传一个pdf文件，暂不做过多解释，后面有对比表格。 RUG-Z-new.pdf (391.27 KB, 下载次数: 53)

2018-4-13 09:58 上传

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M2 互感器
尽管具有精度较高的标准电流互感器，可达0.01级，但只能测量交流



M3 磁平衡电流传感器
结构与互感器有点类似，也有环形铁心、原边1匝穿线、副边多匝，但铁心有开口，缝隙中放入检零霍尔器件，副边通以安匝大小相等方向相反的电流，与原边不平衡则会被检测出来，放大后驱动副边线圈达到平衡。同时这个副边电流流过测量电阻Rm，达到测量电流的目的。由于此时霍尔器件主要是检测是否存在磁场，因此对其线性、温漂等要求很低，所以精度较高，取决于线圈的平衡程度、导磁率、漏磁等。



M4 磁通门传感器
与上述磁平衡方式比，磁通门传感器也是闭环零磁通检测，只不过磁路是闭合的，去掉了线性霍尔零磁通检测器，代之以额外的检测线圈，利用高导磁率铁心在方波激励下可以饱和的非线性特性来探测微弱磁场。



当检测线圈D通以足够的方波电流，磁芯就会反复饱和，如果原边电流Ip=0，那么在检测线圈上就可以出现正负峰值对称的波形。
若Ip有出现使得磁通不为零，则检测线圈的正负峰值就不对称了，出现了偶次谐波，这样就可以经过放大，产生副边电流Is，使得原边电流Ip得到补偿，磁心重新回到零磁通。以上是磁通门传感器的简要描述，实际的工作原理要复杂得多，比如为了不让周期性的驱动电流反过来向原边注入，要采取双磁心，激励绕组D分成两半反向串联抵消，同时在外边增加第三个空心磁心作为磁屏蔽和有效铁心，再在上面绕制高频补偿线圈W，最后绕上副边补偿线圈S。较详细的原理图如下：



这种现象对被测弱磁场就好比一道门，使得磁场通过调制方式得以转变成电信号，从而达到测试弱磁场的目的。
由于磁通门检测具有非常高的灵敏度，因此理论上可以保持严格的Ip/Is比率，采取更多的相应措施后，该技术的传感器就具有非常高的稳定性、良好的线性、超低的温漂，同时也具有较快的反应时间，适合高精度交直流检测。

也许有人看出来了，这种磁通门不是与DCC一样的吗？其实没区别的，DCC就是采用了相同的磁通门技术，只不过通常DCC是DCC电阻桥的简称，因此感觉更精密。实际上，DCC从最开始就是对比直流电流的，因此也完全适应电流测试。


几种大电流检测方法对比表



说明：
1，带星号（*）的指标为估值
2，尽管使用ppm为单位不规范，但上述厂家都这样用，所以这里也沿用
3，作为一个4线电阻存在的分流器，几乎没有能与RUG-Z匹敌的，博计在其7550A里面用到。RUG-Z最大的优势是在较大电流下可以做到1ppm/K的温漂
4，A40B在大电流计量领域比较知名，以高精度和高价格著称，除此之外还有高联的7340-100A、高连的9230系列（只适合直流）
5，磁平衡电流传感器种类繁多，这里只列出LEM的有代表性的一款LC500-S，精度不很高，但隔离式，各项其它性能比较均衡
6，最后一列是本帖的主角：IT 600-S，特点是偏差和长期稳定性指标占绝对优势的，后面会展开说明。

fuxing 发表于 2015-3-7 18:30
报告lymex老大，我看您拆开的IT600的内部了，有点迷惑，
个人认为其内部是三个磁环，应该有两个坡莫合金的 ...

根据DCCT的原理，属于动态跟踪，因此可以不分交流、直流。

内部结构我画过简图，但考虑到没有多少人关注就没帖上来，补充如下：


里面主要磁心找人用仪器测量过，已经标在图上。
其中灰色和粉色均为高导磁率材料，粉色是超薄钢带卷绕，我拆的那个锈蚀严重：

二、IT 600-S的历史

D1，Danfysik 1964年成立，总部丹麦，擅长功率电子器件、加速器技术、高精度电源 http://www.danfysik.com/



D2，Danfysik 1984年在美国申请专利4616174号：DETECTOR CIRCUIT FOR CURRENT MEASUREMENTS（用于测量电流的检测器电路）
https://www.google.com/patents/US4616174
（其中的pdf文件可以下载）

D3，Danfysik 1987年开始生产Ultrastab高精度电流传感器，其中866也就是IT600的前身




D4，Danfysik ACP从Danfysik独立出来，有16人

D5，Danfysik ACP 2008年12月被CapMan收购，收购价8.6M欧元  http://www.investegate.co.uk/article.aspx?id=20081203080000H4771
http://www.capman.com/capman-group/news-and-materials/releases/release/t=CapMan+acquires+Danfysik+ACP+AS/id=18516313

D6，2009年，Danfysik ACP被LEM收购
http://article.cechina.cn/759_Announced_the_acquisition.htm
Danfysik 的红色Ultrastab电流传感器至此停产，改换成蓝色的头面。




L1、LEM（莱姆）1972年成立，总部瑞士日内瓦，擅长各种电流传感器技术
L2、LEM 1997年开始与Danfysik合作，其IT 600-S即为866贴牌
图：1989年，与IT150共用标签



图：2001年的SP1



L3、LEM 2009年买下Danfysik ACP，Ultrastab生产部门
图：后期生产的IT600



L4、大约2012年，IT 600停产。其后续产品为性能更好的计量型ITZ 600PR
http://www.gmw.com/electric_current/LEM/docs/LEM-DS_ITZFamily-26Jan2012.pdf

三、IT 600-S的指标特性


首先，贴出LEM IT 600-S的指标文件
it 600-s ultrastab.pdf (387.4 KB, 下载次数: 50)

2018-4-13 10:03 上传

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这个指标其实不太全，考虑到IT 600-S就是Danfysik的866-600，因此给出人家原厂的pdf文件，内容多了不少
DF_MAN_866-2002手册-16页.pdf (1.21 MB, 下载次数: 31)

2014-5-25 14:55 上传

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其中的一页截图出来：


从后面向前看：
Output Noise输出噪声，低频<0.05ppm rms，相当不错
Linearity Deviation线性偏离，<1ppm，很小
Transfer Ratio电流转移比例
  Deviation偏离<2ppm，实际上是固定偏差，比如600A不是精确的转换成400mA，而是可能为400.0008mA
  Deviation vs. Temp，偏差温漂，0.3ppm/K，很小了
Offset 偏离、偏差
  Initial初始偏离、零点，20ppm，这个有点大，实际上零点是比较固定的，可以软件减掉或硬件调零中和
  Drift vs. Temp，偏离温漂，0.2ppm/K，非常小
  Drift vs. Time，偏离长稳，1mmp/月，不大
  Drift vs. Supply Voltage，偏离随供电变化，1.5ppm/%，这个不大，供电比较好稳定


综合起来看，1年期间，温度+-5度，即便不调零，也可以达到40ppm。如果调零，加上长稳挑选，可以达到20ppm之内。
这个性能已经强于Fluke A40B-100A很多，同时考虑到这种电流比例是匝数比的关系决定的，很难找到老化因素（匝数比是不随时间变化的），因此长期看比分流器方式的更可靠。

其实，这个世界上生产高精度磁通门电流传感器的厂家并不多，连LEM自己原先都没有，而是后来买来的Danfysik。
除了LEM外，我知道还有荷兰HITEC公司有几个系列，但指标与LEM的相比要差一些。另外还有一家Danisense，也是丹麦公司，生产0.01%的类似传感器。
西班牙Premo的，精度不太高，其解剖图：



大概是由于发超连的帖子要审核的原因，因此此跟帖先不发连接，这样可以马上出现，有链接的随后发出。

（续IT 600-S的指标特性）
LEM IT系列高精度磁通门传感器：http://www.lem.com/hq/en/component/option,com_catalog/task,displayserie/serie,IT%2060-1000%20S/output_type,/
HITEC高精度磁通门传感器：http://www.hitecsms.com/?RubriekID=4024
Danisense高精度磁通门传感器：http://www.danisense.com/
西班牙Premo的，http://www.grupopremo.com/zh/pro ... 00atransducers.html

四、IT 600-S的测试

按理说，像LEM这样的知名厂家，其产品的指标不会有问题。
不过，一方面出于不太相信真有这么高的指标的东西，另外也必须验证一下才能使用，所以还是各方面进行了测试。
貌似这么高精度的东西，需要更高精度的测试环境才能测试，但实际上并不尽然，很多指标不需要或可以绕道。

外部测试内容、方法、结果如下：
静态耗电，+15V为220mA、-15V为33mA，与指标基本相符。
动态耗电，原边加上+600AT后，副边出+400mA，则+15V耗电620mA，-15V33mA
动态耗电，原边加上-600AT后，副边出-400mA，则+15V耗电220mA，-15V433mA
零点测试，指标20ppm，实测均满足，在2ppm-15ppm的均有
零点漂移测试，绝大部分加电后很快稳定，再开机半小时变化不到2ppm。只有一个漂移比较大，后来拆开看原因是进水生锈所导致。
零点对供电的抑制，满足指标。其中对-15V的抑制非常好，比指标好几倍。
零点对放置方向的敏感度，不敏感（<0.5ppm）
零点开机重复性，<1ppm
零点对强磁场耐受性，不太敏感。用强力稀土磁铁（直径25mm）靠近线圈，距离2cm，有10ppm变化，并有1ppm不恢复
零点的噪声，0.02ppm rms（分母为满度），用3458A采样间隔2秒。
以上测试，Burden电阻=Rm=10R，除了用3458A测噪声外没有其它精密设备。

线性和大电流特性测试
采用电流背靠背方式，也不需要精密设备仪器，就能得到结果。
什么是电流背靠背测试？一步步的看。
通常，对比两个传感器，是用套装置、两个Rm、两个电压表读取电压，然后对比


这种是最原始、最本分的方法，但对比精度很差，或者说所用的Rm和电压表直接影响对比精度。某论文（见附件）就是采用这种方法对比的


第二种对比方法，是电压背靠背，两个传感器最好独立供电，这样两个Rm可以接到一起而没有电流流过，两个Rm的差值用电压表读出。此法基本可以忽略电压表的误差，但两个Rm的偏差和温漂等不能忽略，或者说需要非常精密的Rm才能做好对比



第三种方法是副边电流背靠背，需要两个传感器独立供电，然后两个副边电流反接，共用一个Rm，理想情况下Rm读数为0，非0代表对比偏差。
此法对比精度高，既不依赖于表，也不依赖于Rm，而且Rm可以选的比较大，可以提高对比灵敏度。


第四种方法是原边电流背靠背，两个传感器不需要独立电源，只需原边穿线一个为正、另一个为负。缺点是正、负对比，但优点也可以说进行了正负对比，同时对电压表和Rm也没有要求。本次对比就是采用了此法。


当然，对比得到的结果是两个传感器的互差，即便结果很小，可能是都小，也可能是两个传感器偏离误差基本一致。考虑到进行了不同年代的传感器的多次对比，结果偏差都很小，因此可以排出后者。换句话说，“对”可以对到一起，“错”不可能总错到一起。



对比结果，稳定性、线性，在2ppm之内：



原边绕线位置的影响
为了能够在没有大电流源的场合得到等效600A电流，采用了原边多次穿绕的方法，这样串绕30T就可以用20A得到600AT，或者60T*10A=600AT，而10A、20A的电源没有问题（IT6322、IT6122、Advantest R6246）。
但这样一来，穿绕的方式就可能对测试结果造成影响。
为了能够使得影响尽量小，绕线采取尽量均匀的方式。但后来实测，背靠背测试时，改变其中一个传感器的绕线的位置几乎看不到有什么影响，定量看影响<1ppm。

很极端的例子，从外壳上打洞、穿线，结果都不错。



小电流下的线性
这是我一个朋友Tony测试的，用Datron 4700输出电流信号，最大只测试到24AT，结果还是相当不错的（分母为600AT）。



总之，IT 600-S表现不错，符合指标。不是非常理想的地方就是零点的开机特性，在短时间内有漂移，而且开机的重复性也是接近1ppm的变化，这个可能与器件受潮和内部生锈有关。

五、IT 600-S的构造

指标这么高的东西，是什么原理？怎么实现的？内部结构如何？

首先，内部照片









其次，电路图
花了两天多时间，抄出电路图。由于是贴片元件为主，还有很多元件不知参数，因此没有100%完成，也不保证100%正确



主要元件
7805，稳压，从+15V得到+5V
LM675T，功放、最后输出
OPA177×2，放大
TL072，保护
LM555，脉冲发生器
74LS74，整形、时序
T1、L2、IC3=SN75453B等，激励
U4=DG403，相敏检测
元件看没啥特别的，当然主要在于系统设计。两个变压器T1和L2可能比较关键，当然最主要的还是磁头。

接线说明


2-1-3为双激励/检测线圈，内阻很小
4-5为补偿线圈，内阻4.2欧,补偿高频响应
6-7、8-9为双副边线圈，在PCB上接成串联，内阻12欧×2


磁头部分

六、IT 600-S的使用与应用

外部接口

其实很简单，9、5脚为+-15V供电，4为公共地，6接Rm电阻到地。
3、8是一个光耦状态输出，通为正常工作


Rm选择

这个非常关键，其指标直接影响最终性能。原厂有Rm成品卖，里面只是4个塑料块而已，真是白瞎了那么好的传感器，出口竟然成为瓶颈。






塑料块功率小，温漂也不算小，耗散0.4W的时候温升较大，造成温漂大，可能达到10ppm以上。另外，塑料块年稳定性为25ppm，也是很糟糕的。
建议的Rm是VHP4或VHP4Z，为TO3金封，具有5ppm的年稳，而且由于耗散功率大（加散热措施），所以温升小，温漂可以做到5ppm左右。


类似的电阻为VPR247/VPR247Z，指标与VHP4/VHP4Z一样



电流测量仪
这个其实不复杂，除了IT 600-S外，需要有电源、Rm、外壳和接口。下面的就是一个成品：








这个测试器的测量头是外置的，比较灵活。最后一张图是带有一个外置的Shunt=Rm，这个尽管灵活，但恐怕性能不好，还是推荐内置的VHP4。

我自己正在组装的一个测量器，还没做完，用了HP3455的外壳，里面有两个IT 600-S，除了电流测量外，还有一个用于120A恒流发生器。


简化的电路图：


由于采用了具有较大延迟的DCCT和具有较大电容负载的MOS管，因此放大器必须进行环路补偿措施，留有足够的相位裕度，以免振荡。
这个测试仪等我做好后，会单独发个帖子进行介绍。

高精度稳流源
我自己做的一个未完成的照片见上，120A的，我的目标短稳要做到10ppm之内。
网上有一个Feshbach项目，用此类传感器产生高精度100A恒流源


这个恒流源其实是用了200A的传感器，同时电源部分是用的成品，因此只能说是一个电流负载。不过，原理是一样的，短稳做到了20ppm之内。
这个是多伦多大学的某人某项目，连接我就不贴了，狗一下“Fesh-MOT Coils”可以找到，有电路图、制作说明和更多的照片。

某电源采用了一个200A的传感器



核磁共振中的gradent （梯度）放大器
MRI核磁共振需要精确、快速可控的大电流，这使得IT 600-S成为不二之选。找不到实物照片，但有很多文章讨论这个





粒子加速器、约束
这些场合都需要强大、精确而稳定的磁场，这就需要稳定的大电流，也是Danfysik最初的由来，此种场合需要用多个大电流发生器进行并联，而每个电流发生器均采用IT 600-S或类似的DCCT。

七、类IT 600-S的制作

国内制作类似传感器的例子有不少。
比较系统的一个例子，是中科院上海原子核研究所的一篇博士论文：
(博士学位论文)新颖高性能电流传感器的研制.part2.rar (1.04 MB, 下载次数: 48)

2018-4-13 16:48 上传

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(博士学位论文)新颖高性能电流传感器的研制.part1.rar (1.14 MB, 下载次数: 58)

2018-4-13 16:48 上传

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这个就是以IT 600-S为原型参照制作的，但性能上还是有较大的差距，比如温漂16ppm/K、线性只做到30ppm附近。

其它还有很多，上传一些，不一一说明，文章标题自明：
磁调制式直流小电流有源传感器.pdf (233.19 KB, 下载次数: 17)

2018-4-13 16:48 上传

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基于磁通门原理的高精度电流传感器的研制.pdf (1.12 MB, 下载次数: 22)

2018-4-13 16:48 上传

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基于零磁通原理的高精度小电流传感器的研究.pdf (156.89 KB, 下载次数: 13)

2018-4-13 16:48 上传

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零磁通型高精度微电流传感器.pdf (127.15 KB, 下载次数: 12)

2018-4-13 16:48 上传

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新颖高性能电流传感器研究.pdf (217.6 KB, 下载次数: 13)

2018-4-13 16:48 上传

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应用于高精度稳流电源的直流零磁通误差传感器.pdf (165.64 KB, 下载次数: 11)

2018-4-13 16:48 上传

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(专利)多通道开口式直流大电流比较仪.pdf (465.8 KB, 下载次数: 22)

2018-4-13 16:23 上传

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20000A直流电流比较仪-有绕法.pdf (410.6 KB, 下载次数: 23)

2018-4-13 16:48 上传

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纵观这些制作，性能与IT 600-S比，差距都很大。也难怪，IT 600-S是DCCT的佼佼者，其它厂家的DCCT，包括其自己其它绝大部分的DCCT，指标都不如。
因此，若想制作一个高性能的DCCT，可以从IT 600-S入手，过程大概如下：
1，仿制一个IT 600-S电子电路板部分模型，接口一样，装到IT 600-S的磁头上，测试验证通过
2、改进这个电路板，采用新型高性能元件、改进的电路，做到小型化、耗电省、指标提高
3、仿制一个磁头原型，装到IT 600-S的控制板上，测试基本通过
4、该磁头原型装到自己制作的控制板上，测试通过。如果3能通过但4不能通过，说明还是板子有问题，回头转2
5、改进这个磁头，比如换用磁导率更高的材料、改进结构，使得指标能有所改善。

八、其它

工作中的IT 600-S热像




拆开、除去多余塑料、降低磁头高度的IT 600-S，绕上了600A、120A和30A的测量漆包线



曾经绕过100T



几个朋友对IT 600-S的测试照片









细线绕线的话可能很热



DCC结构图

九、参考资料
itz 600-spr flex ultrastab-新-Rack.pdf (1.18 MB, 下载次数: 31)

2018-4-13 16:49 上传

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600A直流电流自动化测量系统的建立.pdf (136.2 KB, 下载次数: 15)

2018-4-13 16:49 上传

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100A直流大电流标准及检定系统.pdf (80.85 KB, 下载次数: 24)

2018-4-13 16:49 上传

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直流2000A大电流标准装置及检定系统.pdf (224.17 KB, 下载次数: 28)

2018-4-13 16:49 上传

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JBT 10056-1999 直流电流互感器技术条件.pdf (493.41 KB, 下载次数: 13)

2018-4-13 16:49 上传

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【全文完】

先回复，大电流我们单位一直是一个问题

先回复，大电流我们单位一直是一个问题
八一八 发表于 2014-5-26 14:06

直流大电流的检测吗？可以联系我18971082037

给lymex老师跪了，太认真了。ITZ系列没仔细研究过，从指标猜大概基于比较仪原理的，直流测量应该十分准确，直流电流勉强可以溯源，但是这款传感器标称带宽很宽，能到到50kHz~100kHz，比较难校准，实际测试应该带宽在10kHz以内。

感谢介绍  很实用

可以看出作者在对600-S的研究上做足了功夫,对计量工作者是很好的财富

lymex的文章看起来就是舒服，图文并茂的
明天让他们单位搞这块的人来拜读一下

认真学习可以受益匪浅

真是受益匪浅！
实用、适用、活用。

报告lymex老大，我看您拆开的IT600的内部了，有点迷惑，
个人认为其内部是三个磁环，应该有两个坡莫合金的磁环和一个铁氧体的磁环，
两个坡莫合金的磁环主要解决直流测量的问题，
而铁氧体的磁环主要解决交流测量的问题，
但是，我看图片好像只有一个坡莫合金磁环，两个铁氧体磁环，实在是迷惑，老大指点一下

lymex 发表于 2014-5-25 23:05
九、参考资料

厉害！！！ 图片显示不了，lymex老师，，

fuxing 发表于 2015-3-7 18:30
报告lymex老大，我看您拆开的IT600的内部了，有点迷惑，
个人认为其内部是三个磁环，应该有两个坡莫合金的 ...

结构就是我2楼的图，两个灰色部分应该就是坡莫合金磁环。

lymex 发表于 2016-9-13 00:23
结构就是我2楼的图，两个灰色部分应该就是坡莫合金磁环。

看了您2楼的结构图，我猜测
粉色0.03mm薄钢带 是 坡莫合金带（有可能是1J85，1J86等）主要用于磁屏蔽
灰色部分 有可能是钼坡莫合金磁粉芯，不是带状绕组而成
绿色部分 可能是 铁氧体磁环
至于 深红色 和黑色是不是起固定作用，没有其他作用

老大您怎么看？请指点

老大对于绕线影响测试交流性能是否有经验？ 非线性在电流大，频率高时有明显谐波。谢谢

很牛的帖子，谢谢楼主，但是图片显示不了啊，如何显示？