非侵入式传感器：与Arduino一起使用的YHDC SCT013 CT

SCT013系列是非侵入式电流互感器传感器，可用于测量导体中通过的电流强度，无需切断或修改导体本身。我们可以将这些传感器与处理器（如Arduino）配合使用，以测量负载消耗的电流强度或功率。

SCT013传感器作为电流互感器，是一种通过电磁感应提供与电路通过电流成比例测量值的仪器设备。该传感器采用分体式铁芯设计（类似钳形结构），用户只需将其扣合即可包裹电气设备进行测量，无需断开电路。

SCT013系列包含提供电流输出和电压输出两种信号类型的型号。其中电压输出型因连接方式更为简便，通常是更理想的选择。

该传感器的精度误差可低至1-2%。为确保最高测量精度，必须确认铁芯已完全闭合——即使微小的气隙也可能导致10%的测量偏差。

其缺点在于：作为感性负载，SCT013会引入相位角偏差，该偏差值随通过负载的变化而改变，最大可达3度。

电流互感器是工业领域和配电系统中常见组件，因其能实现对消费终端的监控（这是其他测量方式无法替代的），即便在钳形表、网络分析仪等便携设备中，也被视为多功能测量仪器。

例如在电子与智能家居项目中，我们可以运用SCT013电流传感器实现以下功能：
• 测量电器设备的能耗
• 检测电气系统运行状态
• 记录家庭电能监控中的用电数据
• 通过互联网实时远程访问用电数据

价格说明  
SCT013系列提供多种型号，其测量范围与输出信号类型各不相同。尽管所有型号的物理外观相同，但可通过产品外壳上的标识文字进行区分。

常见型号参数
最常用的SCT013-000型号最大测量电流为100A，采用电流输出方式（100A:50mA对应关系）；而SCT-013-030型号最大测量电流为30A，采用电压输出方式（30A/1V对应关系）。

量程选择建议
需要注意的是，虽然宽量程能覆盖更多应用场景，但更高电流量程的型号会降低测量精度。以30A量程模型为例，在230V电压下可测量高达6,900W的负载功率，这已完全满足大多数家庭用户的用电监测需求。

工作原理说明
SCT013传感器本质上是微型电流互感器（CT）。这种互感器作为测量元件被广泛应用于电力系统。

电流互感器与电压互感器类似，均基于电磁感应原理工作（早期两者结构完全相同）。但由于测量目标不同，现代产品的设计和构造已产生显著差异：
- 电流互感器：串联接入电路，专注于精确反映导线电流变化
- 电压互感器：并联接入电路，主要用于电网电压监测

电流互感器工作原理
电流互感器旨在次级线圈中产生与初级电流成比例的感应电流。为实现这一目标，其初级线圈通常采用极少匝数的设计（常见为单匝导线）。

非侵入式传感实现 
利用电流互感器可构建非侵入式电流传感器：其铁磁芯采用可分体结构，通过钳口开合实现导线的快速夹取与包裹。

结构解析  
整个系统构成如下：
- 初级绕组：待测电流通过的电缆本身（通常为单匝）
- 磁芯：钳形铁磁材料构成闭合磁路
- 次级绕组：集成于传感器内部的精密线圈

电磁感应过程
当交流电通过被测导体时，铁芯中产生交变磁通，进而在次级绕组中感应出相应电流。其电流变换比率严格遵循匝数比关系：

绕组配置特性  
初级绕组通常由被测导体单匝穿过磁芯构成（标准用法）。但也可通过将导体在钳口内绕行多圈的方式增加有效匝数。集成于探头内的次级绕组则根据SCT013具体型号不同，具有1000-2000匝不等的设计。

安全操作警告  
与电压互感器不同，电流互感器次级回路绝对不允许开路运行——因为感应产生的危险高压可能损坏设备。为此SCT013系列传感器均内置保护机制：
- 电压输出型：内置负载电阻（burden resistor）进行保护
- 电流输出型：采用保护二极管消除开路风险

接线原理图说明

连接SCT013传感器前需理解并解决三个关键问题：
- 电流信号输出特性处理
- 电压量程匹配调整
- 交变信号正负电压转换

电流信号输出特性
SCT013作为电流互感器，其输出信号是与电缆电流成比例的电流量。然而处理器（如Arduino）仅能测量电压信号。

该问题解决方案简单：只需接入负载电阻即可将电流信号转换为电压信号。

除SCT013-000型号外，所有其他SCT013型号均内置负载电阻，可直接输出1V电压信号，无需额外处理。

唯独SCT013-000型号未内置负载电阻，输出为±50mA电流信号，只需并联33Ω电阻即可实现转换。

正负电压信号处理  
需要解决的另一个问题是：由于我们测量的是交流电，次级线圈感应的电流为交变信号。当该信号通过负载电阻（无论是内置还是外接）后，输出的电压同样为交变信号。

技术限制说明 
需要注意的是，包括Arduino在内的大多数处理器的模拟输入端口仅能检测正电压信号。

输出电压测量方案  
测量变压器输出电压时可选用以下方案（按推荐度从低到高排列）：

1. 二极管桥式整流方案 
   通过整流桥将信号转换为正电压波形（不建议采用）。该方案存在三大缺陷：  
   - 无法区分正/负半周期信号  
   - 二极管导通压降导致测量误差  
   - 零交叉区域存在死区造成信号失真

2. 直流偏置电路方案  
   使用双电阻与电容构建GND与Vcc的中点电压基准。若增加电压跟随器运算放大器，可显著提升信号稳定性

3. 差分输入ADC方案 
   采用ADS1115等支持正负电压测量的差分输入模数转换器——此为最终推荐方案

电压量程适配 
最后需要解决传感器输出电压的量程适配问题。Arduino只能测量0至Vcc范围内的电压，且量程越小精度损失越大，因此需要将信号调整至该量程范围内。

需特别注意：交流电压测量通常采用RMS有效值。以下是峰值电压与峰峰值电压的换算关系：

因此，对于输出均方根值为±1V的传感器，峰值电压为±1.414V

在SCT013-000的情况下，输出将为±50mA。外部负载电阻33Ω，输出电压RMS为±1.65V，峰值电压为±2.33V，峰间电压为4.66V。

电气连接方案 
目前我们已具备使用SCT-013传感器测量电网电流的全部组件。我们将采用带电压输出（±1V RMS）和内置负载电阻的传感器，并配合ADS1115模数转换器工作在差分模式下。

将ADS1115的增益设置为2.048V时，其量程可覆盖±1.414V的信号范围。在此配置下：
- 30A传感器可实现1.87mA的测量精度
- 100A传感器可实现6.25mA的测量精度

SCT013-000特殊配置方案  
若使用输出为±50mA的SCT013-000型号，需采取以下特殊配置：
1. 并联33Ω外部负载电阻
2. 将ADS1115增益提升至4.096V
以此满足±2.33V峰值电压的量程要求。

Arduino端连接方案 
从Arduino视角来看，只需为ADS1115模块提供电源连接即可（具体接线方式请参照我们先前发布的ADS1115模块专题指南）。

测量注意事项  
测量时必须确保钳口内仅穿过单根导线。若同时夹取多根导线（单相系统双线或三相系统三线），不同导线的磁场会相互抵消，导致感应磁通为零，最终测得无效空值。

接口改装说明  
SCT013传感器采用3.5mm音频接口（常见于音响设备），该接口不适用于电子项目。解决方案有两种：
1. 直接剪断电缆剥离线芯
2. 使用焊接式3.5mm母座转接
这些接线端子虽易于获取，但剪线改装仍是可行方案。

替代方案：传统偏置电路  
若不愿使用外部ADC模块，可采用传统电路解决方案：通过添加电阻电容组件构建直流偏置电路，为交流信号添加中心电压基准点。

电压基准适配说明  
后续操作均默认使用5V供电的Arduino控制器。若采用其他处理器或不同工作电压的Arduino型号（如3.3V），需根据实际电压值进行相应调整。

当添加2.5V直流偏置电压后，信号输出范围将调整为1.08V至3.92V——该范围完全适配5V供电下Arduino模拟输入端的量程要求。

代码示例

用ADS1115组装

组件配置与代码实现 
若使用输出为±1V RMS的SCT013传感器配合ADS1115模块，所需代码与我们在ADS1115专题中介绍的示例代码类似。您需要调用Adafruit专为ADS1115开发的库函数进行编程。

采样速率优化方案 
为实现更高采样速率，需修改'Adafruit_ADS1015.h'头文件中的配置参数。经此修改后：
- 采样时间可从8-9毫秒（约100Hz）缩短至1.8毫秒（约500Hz）
- 采样频率将超越奈奎斯特频率基准，显著改善测量动态特性

另一种版本使用测量的最大值和最小值，然后根据峰值计算测量值。结果应该类似于平方和的例子。为此，您可以使用以下功能替换此功能：

我们可以在串行端口监视器中看到结果，并使用串行绘图仪绘制结果，将其收集到更大的项目中以显示在网页上，或者将其注册到SD中。

电阻中点偏置电路装配方案  
本例采用简易配置方案，仅需通过模拟输入端口进行测量：