CN116666036B - 消磁模块和电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种消磁模块和电流传感器,属于电流传感器技术领域,所述消磁模块包括:高频电流信号产生单元和交变磁场产生单元;高频电流信号产生单元与交变磁场产生单元连接,交变磁场产生单元绕设于电流传感器的聚磁环周围;高频电流信号产生单元用于产生高频电流信号,并向交变磁场产生单元输出高频电流信号;交变磁场产生单元用于根据所述高频电流信号,在聚磁环周围产生交变磁场信号,本申请技术方案通过形成一个与电流传感器的磁敏感方向相同的交变磁场来降低电流传感器的磁滞,从而提高了电流传感器的测量精度,且属于非接触式消磁,不仅操作简单,适用于各种材料类型组成的电流传感器,还保证了电流传感器的性能基本不受消磁过程影响。
Description
技术领域
本申请涉及电流传感器技术领域,特别涉及一种消磁模块和电流传感器。
背景技术
TMR(Tunneling Magnetoresistance,隧道磁电阻)传感器凭借其体积小、功耗低、灵敏度高等优势,广泛应用于自动化控制、生物医学、航天航空等技术领域,但是TMR传感器不可避免的会出现磁滞现象。TMR传感器应用于电流传感器时,该磁滞对电流传感器测量精度的影响较大,甚至影响了TMR传感器在电流传感器中的正常应用,目前,为解决磁滞影响电流传感器测量精度的技术问题,通常采用加热并冲击传感器的方式来改变各个磁畴的磁矩方向,使其方向不一致,从而降低TMR传感器的磁滞,但是这种方式存在损坏传感器的风险,会造成传感器的性能下降,且仅适用于由可加热材料组成的TMR传感器。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种消磁模块,旨在解决现有的消磁方式对传感器的性能影响大,且仅适用于由可加热材料组成的TMR传感器的技术问题。
为实现上述目的,本申请提出一种消磁模块,该消磁模块包括高频电流信号产生单元和交变磁场产生单元;所述高频电流信号产生单元与所述交变磁场产生单元连接,所述交变磁场产生单元绕设于所述电流传感器的聚磁环周围;
所述高频电流信号产生单元用于产生高频电流信号,并向所述交变磁场产生单元输出所述高频电流信号;
所述交变磁场产生单元用于根据所述高频电流信号,在所述聚磁环周围产生交变磁场信号。
可选地,所述高频电流信号产生单元包括交变电压产生子单元和电压转电流子单元;所述交变电压产生子单元与所述电压转电流子单元连接,所述电压转电流子单元与所述交变磁场产生单元连接;
所述交变电压产生子单元用于产生高频电压信号,并向所述电压转电流子单元输出所述高频电压信号;
所述电压转电流子单元用于将所述高频电压信号转换为所述高频电流信号。
可选地,所述交变电压产生子单元包括文氏电桥振荡电路;
所述文氏电桥振荡电路包括运算放大器、反馈电路和用于确定所述高频电压信号的频率大小的串并联阻容电路;所述串并联阻容电路的第一端连接所述运算放大器的第一输入端,所述串并联阻容电路的第二端连接所述运算放大器的输出端,所述反馈电路的第一端连接所述运算放大器的第二输入端,所述反馈电路的第二端连接所述运算放大器的输出端,所述运算放大器的输出端连接所述电压转电流子单元的输入端。
可选地,所述消磁模块的消磁效果与所述高频电流信号中交变电流的值有关。
可选地,所述电流传感器用于待测导线中直流电流或交流电流的测试;
所述高频电流信号的频率高于所述待测导线的电流的频率的2倍。
为实现上述目的,本申请还提出一种电流传感器,该电流传感器包括信号采集模块、信号调制模块、聚磁环和上述消磁模块;
所述信号采集模块用于采集待测导线周围的磁场信号,并根据所述磁场信号向所述信号调制模块输出对应的电压信号;
所述信号调制模块用于对所述电压信号进行信号调制,得到所述待测导线的电流测量值;
所述信号采集模块位于所述聚磁环的开口位置;
所述消磁模块用于在所述聚磁环周围产生交变磁场信号。
可选地,所述信号采集模块包括GMR磁阻元件和/或TMR磁阻元件。
可选地,所述待测导线的电流为直流电流或交流电流;
所述信号调制模块包括滤波电路;所述滤波电路用于将所述电流传感器的输出信号中高于滤波频率的信号滤除;所述滤波频率高于所述待测导线的电流的频率的2倍。
可选地,所述消磁模块所产生的高频电流信号大于第一电流,所述第一电流I1符合
其中,I测为待测导线的待测电流值,YFS为所述电流传感器在待测电流值分别为-I测及I测时输出信号差值,ΔHmax为所述电流传感器磁滞回线中磁滞最大值对应的输出信号差值,所述待测电流为所述待测导线的电流值或漏电流值。
可选地,所述待测导线的一端或两端容纳于所述电流传感器中所述聚磁环的环内空心通道;
若所述待测导线的一端穿过所述电流传感器,则所述电流传感器用于测量所述待测导线的电流值;
若所述待测导线的两端且为方向相反的两端穿过所述电流传感器,则所述电流传感器用于测量所述待测导线的漏电流值。
本申请技术方案提供了一种消磁模块,该消磁模块包括高频电流信号产生单元和交变磁场产生单元;所述高频电流信号产生单元与所述交变磁场产生单元连接,所述交变磁场产生单元绕设于所述电流传感器的聚磁环周围;所述高频电流信号产生单元用于产生高频电流信号,并向所述交变磁场产生单元输出所述高频电流信号;所述交变磁场产生单元用于根据所述高频电流信号,在所述聚磁环周围产生交变磁场信号。本申请通过高频电流信号产生交变磁场信号,能够形成一个与电流传感器的磁敏感方向相同的交变磁场,使得电流传感器和电流传感器内部的磁敏芯片的各个磁畴的磁矩方向不同,以进行磁场的相互抵消或减弱,从而降低电流传感器的磁滞,提高了电流传感器的测量精度,且本申请消磁模块的消磁方式属于非接触式消磁,所以在降低电流传感器的磁滞时,不会因电流传感器中磁场信号采集模块的组成材料的不同而影响消磁效果,也不存在损坏电流传感器的风险,从而本申请技术方案不仅操作简单,适用于各种材料类型组成的电流传感器,还保证了电流传感器的性能基本不受消磁过程影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本申请消磁模块一实施例提供的模块示意图;
图2为本申请消磁模块一实施例提供的高频电流信号与消磁效果的关系示意图;
图3为本申请消磁模块一实施例提供的高频电流信号的交变电流与磁滞误差的关系示意图;
图4为本申请消磁模块一实施例提供的高频电流信号产生单元包括交变电压产生子单元和电压转电流子单元,以及交变磁场产生单元包括消磁导线的模块示意图;
图5为本申请消磁模块一实施例提供的交变电压产生子单元包括运算放大电路、反馈电路和串并联阻容电路的模块示意图;
图6为本申请消磁模块一实施例提供的结构示意图;
图7为本申请电流传感器一实施例提供的结构示意图;
图8为本申请电流传感器一实施例提供的LC滤波电路结构示意图;
图9为本申请电流传感器一实施例提供的RC滤波电路结构示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
附图标号说明:
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
需要说明,本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本申请要求的保护范围之内。
TMR(Tunneling Magnetoresistance,隧道磁电阻)传感器凭借其体积小、功耗低、灵敏度高等优势,广泛应用于自动化控制、生物医学、航天航空等技术领域,但是TMR传感器不可避免的会出现磁滞现象。TMR传感器应用于电流传感器时,该磁滞对电流传感器测量精度的影响较大,甚至影响了TMR在电流传感器中的正常应用。目前,为解决TMR传感器的磁滞影响电流传感器测量精度的技术问题,通常采用加热并冲击传感器的方式来改变各个磁畴的磁矩方向,使其方向不一致,从而降低TMR传感器的磁滞,但是这种方式存在损坏传感器的风险,会造成传感器的性能下降,且仅适用于由可加热材料组成的TMR传感器。
为此,本申请提出一种消磁模块,应用于电流传感器,请参照图1,在本申请一实施例中,消磁模块包括高频电流信号产生单元10和交变磁场产生单元20,该高频电流信号产生单元10的输出端连接于该交变磁场产生单元20的输入端,该交变磁场产生单元20绕设于该电流传感器的聚磁环100周围,该高频电流信号产生单元10用于产生高频电流信号,并向交变磁场产生单元20输出该高频电流信号;该交变磁场产生单元20用于根据高频电流信号,在聚磁环100周围产生交变磁场信号。
需要说明的是,该消磁模块的消磁效果与高频电流信号中的交变电流的值有关,其中,参照图2和图3可知高频电流信号中的交变电流值越大,则消磁模块的消磁效果也就越好;另外地,为保证消磁模块的消磁效果,该高频电流信号的频率应高于待测导线的电流的频率的2倍。
需要说明的是,图3提到的磁滞误差的计算公式如下:
其中,δH为磁滞误差,ΔHmax为该电流传感器的磁滞回线中磁滞最大值所对应的输出信号差值,YFS为该电流传感器在待测导线的待测电流值分别为-I测及I测时输出信号差值,I测为待测导线的待测电流值,该待测电流值可以为待测导线的电流值或漏电流值。
另外地,需要说明的是,该高频电流信号应大于第一电流,该高频电流信号的频率大小可以设置为1kHz,本实施例并不作限定,其中,该第一电流符合:
其中,I1为第一电流;I测为待测导线的待测电流值,YFS为该电流传感器在待测电流值分别为-I测及I测时输出信号差值,ΔHmax为该电流传感器的磁滞回线中磁滞最大值对应的输出信号差值,该待测电流值为该待测导线的电流值或漏电流值。
在一个实施例中,如图2-3所示,用于300mA待测导线的电流测试的电流传感器,待测电流值为300mA,在未安装消磁模块条件或将消磁模块中交变电流值设为0条件下其磁滞误差为10.663%,则第一电流为0.10663×300mA=31.989mA,此时为保证消磁模块的消磁效果,高频电流信号的交变电流值应大于第一电流的电流值,即高频电流信号的交变电流值应大于31.989mA。如图2和图3所示,在将高频电流信号的交变电流值设置为30mA即小于31.989mA时,其输出信号受磁滞影响较大,其输出信号在0mA前后波动较大,电流传感器本身的磁滞对测量结果具有较大的影响,不适于用于电流测量;在将高频电流信号的交变电流值设置在40mA,即大于31.989mA时,其输出信号在0mA位置前后没有明显的波动,电流传感器本身的磁滞对测量结果基本没有影响,但仍存在一定的磁滞误差;在将高频电流信号的交变电流值设置为400mA时,其输出信号在0mA位置基本呈线性,且仅有0.89%的磁滞误差。由此可见,在高频电流信号的交变电流值大于第一电流的电流值时,随着高频电流信号的交变电流值的逐渐增大,电流传感器本身的磁滞得到消除,同时电流传感器在外磁场下的的磁滞误差也在逐渐减小,因此,本申请的消磁模块可以用于对电流传感器消磁,同时可提高电流传感器的测量精度。
本实施例中,消磁模块通过高频电流信号产生单元10产生一个高频电流信号,并将该高频电流信号作用于交变磁场产生单元20,利用电生磁的原理通过交变磁场产生单元20在电流传感器的聚磁环100周围产生一个与电流传感器的磁敏感方向相同的交变磁场,使得交变磁场与电流传感器内部的各个磁畴的磁矩方向不同,以进行磁场的相互抵消或减弱,从而降低电流传感器的磁滞,提高了电流传感器的测量精度,且本实施例消磁模块属于非接触式消磁,所以在降低电流传感器的磁滞时,不会因电流传感器中磁场信号采集模块的组成材料的不同而影响消磁效果,也不存在损坏传感器的风险,从而本实施例的消磁模块不仅操作简单,适用于各种材料类型组成的电流传感器,还保证了电流传感器的性能基本不受消磁过程影响。
在一种可能的实施方式中,请参照图4,该高频电流信号产生单元10包括交变电压产生子单元11和电压转电流子单元12,该交变电压产生单元11的输出端连接于该电压转电流子单元12的输入端,该电压转电流子单元12的输出端连接于该交变电压产生单元20的输入端,该交变电压产生子单元11用于产生高频电压信号,并向电压转电流子单元12输出该高频电压信号;该电压转电流子单元12用于将该高频电压信号转换为高频电流信号。
本实施例中,交变电压产生子单元11可通过自激振荡产生一个幅值稳定的高频电压信号,再通过电压转电流子单元12将该高频电压信号转换为高频电流信号,从而能够得到一个稳定的高频电压信号。
在一种可能的实施方式中,请参照图4,该交变磁场产生单元20包括消磁导线21,该消磁导线21绕设于电流传感器的聚磁环100周围形成螺线管型,该消磁导线的第一端连接于该电压转电流子单元12的输出端。本实施例中,通过将消磁导线21在电流传感器的聚磁环周围卷绕成螺线管,从而增大消磁导线21与聚磁环100的磁场接触面,以进一步提升消磁模块的消磁效果。
在一种可能的实施方式中,请参照图5,该交变电压产生子单元11包括文氏电桥振荡电路,该文氏电桥振荡电路包括运算放大器111、反馈电路112和用于确定该高频电压信号的频率大小的串并联阻容电路113,该串并联阻容电路113的第一端连接该运算放大器111的第一输入端,该串并联阻容电路113的第二端连接该运算放大器111的输出端,该反馈电路112的第一端连接该运算放大器111的第二输入端,该反馈电路112的第二端连接该运算放大器111的输出端,该运算放大器111的输出端连接该消磁导线21的输入端。
需要说明的是,该反馈电路112可以为正反馈电路也可以为负反馈电路,本实施例并不作具体的限定;在反馈电路112为正反馈电路时,则反馈电路的112的第一端连接运算放大器111的正输入端,而串并联阻容电路113的第一端连接运算放大器111的负输入端;在反馈电路112为负反馈电路时,则反馈电路的112的第一端连接运算放大器111的负输入端,而串并联阻容电路113的第一端连接运算放大器111的正输入端。
本实施例中,通过反馈电路112不断在运算放大器111中进行信号反馈实现自激振荡,并利用串并联阻容电路113中的电阻值和电容值决定最终产生的信号的频率大小,从而产生一个稳定的高频电压信号,以确保消磁模块运行的稳定性。
在一种可能的实施方式中,请参照图6,该运算放大器111包括第一运算放大器U1,该反馈电路112包括第一电阻R1和第二电阻R2,该串并联阻容电路113包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2,该电压转电流子单元12包括第二运算放大器U2、第三电容C3和第五电阻R5,该第一运算放大器U1的负输入端连接该第一电阻R1的第一端和该第二电阻R2的第一端,该第一运算放大器U1的正输入端连接该第一电容C1的第一端和该第二电容C2的第一端,该第一电容C1的第一端连接该第三电阻R3的第一端,该第一电容C1的第二端、该第一电阻R1的第二端和该第三电阻R3的第二端接电源,该第二电容C2的第二端连接该第四电阻R4的第一端,该第二电阻R2的第二端和该第四电阻R4的第二端连接该第一运算放大器U1的输出端,该第一运算放大器U1的输出端连接该第二运算放大器U2的正输入端,该第二运算放大器U2的负输入端连接该第二运算放大器U2的输出端,该第二运算放大器U2的输出端连接该第三电容C3的第一端,该第三电容C3的第二端连接该第五电阻R5的第一端,该第五电阻R5的第二端连接该消磁导线的第一端。
本申请还提供一种电流传感器,请参照图7,并结合图1至图6,在本申请一实施例中,该电流传感器包括聚磁环100、信号采集模块200、信号调制模块300以及上述的消磁模块;该信号采集模块200位于该聚磁环100的开口位置,该信号采集模块200的输出端连接该信号调制模块300的输入端;该信号采集模块200用于采集待测导线周围的磁场信号,并根据该磁场信号向该信号调制模块300输出对应的电压信号;该信号调制模块300用于对该电压信号进行信号调制,得到该待测导线的测量电流值;该消磁模块用于在该聚磁环100周围产生交变磁场信号。
需要说明的是,该待测导线的一端或两端容纳于该电流传感器中该聚磁环的环内空心通道。该待测导线的电流可以为直流电流,也可以为交流电流,该电流传感器可以用于测量待测导线的电流值,该电流传感器还可以用于测量待测导线的漏电流值,其中,待测导线的电流是指单位时间内流经待测导线横截面的电荷量,待测导线的漏电流是指由于待测导线存在绝缘破损或接地不良等原因,导致电流从电源直接或间接泄漏到地面或其他不应该通电的部位时所泄露的电流,测量待测导线的漏电流的方式为通过检测待测导线所连接负载前后的导线内电流的电流差,即可确定待测导线的漏电流,从而能够及时发现待测导线是否存在漏电流风险,本实施例对于电流传感器所测量的电流类型并不作具体的限定。因此,在该待测导线的一端容纳于该电流传感器时,该测量电流值对应于该待测导线的电流值;在该待测导线的两端容纳于该电流传感器时,该测量电流值对应于该待测导线的漏电流值。
另外地,需要说明的是该信号采集模块200可以为GMR(GiantMagnetoresistance,巨磁电阻)磁阻元件,也可以为TMR磁阻元件,本实例中并不作具体的限定。
本实施例中,通过信号采集模块200采集待测导线周围的磁场信号,输出与该磁场信号对应的差分电压信号,再通过信号调制模块300对该差分电压信号进行信号调制处理,进而得到待测导线的电流值,并且在整个测量待测导线的电流值的过程中,消磁模块能够在电流传感器的聚磁环100的周围产生交变磁场信号,从而能够产生与设置在聚磁环100开口位置的信号采集模块200的磁敏感方向相同的交变磁场,使得交变磁场与电流传感器内各个磁畴的磁矩方向不同,以进行磁场的相互抵消或减弱,从而降低电流传感器的磁滞,提高了电流传感器的测量精度。
在一种可能的实施方式中,该信号调制模块300包括滤波电路,该滤波电路的输入端连接该信号采集模块200的输出端,该滤波电路用于将该电流传感器的输出信号中高于滤波频率的信号滤除,其中,该滤波电路的滤波频率高于该待测导线的电流的频率的2倍。
作为一种示例,该滤波电路可以为由电感和电容组成的LC滤波电路,请参照图8,图8给出了一种由电感L1和第四电容C4组成的LC滤波电路,其中,该电流采集模块200的输出端连接该电感L1的第一端和该第四电容C4的第一端,该第四电容C4的第二端接地,该电感L1的第二端作为LC滤波电路的输出端。
作为另一种示例,该滤波电路可以为由电阻和电容组成的RC滤波电路,请参照图9,图9给出了一种由第六电阻R6和第五电容C5组成的RC滤波电路,其中,该电流采集模块200的输出端连接该第六电阻R6的第一端,该第六电阻R6的第二端连接该第五电容C5的第一端,该第五电容C5的第二端接地,该第六电阻R6的第二端和该第五电容C5的第一端作为RC滤波电路的输出端,本示例对RC滤波电路的电路结构并不作限定。
本实施例中,通过滤波电路将信号采集模块200采集到的信号中高于滤波频率的信号进行滤除,由于滤波频率高于待测导线的电流的频率的2倍,因而能够滤除掉波动范围过大的误差信号,从而提高电流传感器的测量精度。
以上所述仅为本申请的优选实施例,并非因此限制本申请的专利范围,凡是在本申请的申请构思下,利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种消磁模块,应用于电流传感器,其特征在于,所述消磁模块包括高频电流信号产生单元和交变磁场产生单元;所述高频电流信号产生单元与所述交变磁场产生单元连接,所述交变磁场产生单元绕设于所述电流传感器的聚磁环周围;
所述高频电流信号产生单元用于产生高频电流信号,并向所述交变磁场产生单元输出所述高频电流信号;
所述交变磁场产生单元用于根据所述高频电流信号,在所述聚磁环周围产生交变磁场信号,形成与所述电流传感器的磁敏感方向相同的交变磁场;
所述高频电流信号产生单元包括交变电压产生子单元和电压转电流子单元;所述交变电压产生子单元与所述电压转电流子单元连接,所述电压转电流子单元与所述交变磁场产生单元连接;
所述交变电压产生子单元用于产生高频电压信号,并向所述电压转电流子单元输出所述高频电压信号;
所述电压转电流子单元用于将所述高频电压信号转换为所述高频电流信号;
所述交变电压产生子单元包括文氏电桥振荡电路;
所述文氏电桥振荡电路包括运算放大器、反馈电路和用于确定所述高频电压信号的频率大小的串并联阻容电路;所述串并联阻容电路的第一端连接所述运算放大器的第一输入端,所述串并联阻容电路的第二端连接所述运算放大器的输出端,所述反馈电路的第一端连接所述运算放大器的第二输入端,所述反馈电路的第二端连接所述运算放大器的输出端,所述运算放大器的输出端连接所述电压转电流子单元的输入端。
2.如权利要求1所述的消磁模块,其特征在于,所述消磁模块的消磁效果与所述高频电流信号中交变电流的值有关。
3.如权利要求1所述的消磁模块,其特征在于,所述电流传感器用于待测导线中直流电流或交流电流的测试;
所述高频电流信号的频率高于所述待测导线的电流的频率的2倍。
4.一种电流传感器,其特征在于,所述电流传感器包括信号采集模块、信号调制模块、聚磁环以及如权利要求1至3中任一项所述的消磁模块;
所述信号采集模块用于采集待测导线周围的磁场信号,并根据所述磁场信号向所述信号调制模块输出对应的电压信号;
所述信号调制模块用于对所述电压信号进行信号调制,得到所述待测导线的测量电流值;
所述信号采集模块位于所述聚磁环的开口位置;
所述消磁模块用于在所述聚磁环周围产生交变磁场信号,形成与所述电流传感器的磁敏感方向相同的交变磁场。
5.如权利要求4所述的电流传感器,其特征在于,所述信号采集模块包括GMR磁阻元件和/或TMR磁阻元件。
6.如权利要求4所述的电流传感器,其特征在于,所述待测导线的电流为直流电流或交流电流;
所述信号调制模块包括滤波电路;所述滤波电路用于将所述电流传感器的输出信号中高于滤波频率的信号滤除;所述滤波频率高于所述待测导线的电流的频率的2倍。
7.如权利要求4所述的电流传感器,其特征在于,所述消磁模块所产生的高频电流信号大于第一电流,所述第一电流符合
其中,为待测导线的待测电流值,/>为所述电流传感器在待测电流值分别为/>及时输出信号差值,/>为所述电流传感器的磁滞回线中磁滞最大值对应的输出信号差值,所述待测电流值为所述待测导线的电流值或漏电流值。
8.如权利要求4所述的电流传感器,其特征在于,所述待测导线的一端或两端容纳于所述电流传感器中所述聚磁环的环内空心通道;
若所述待测导线的一端穿过所述电流传感器,则所述电流传感器用于测量所述待测导线的电流值;
若所述待测导线的两端且为方向相反的两端穿过所述电流传感器,则所述电流传感器用于测量所述待测导线的漏电流值。
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