AnyWay零磁通电流传感器的工作原理

19世纪，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。麦克斯韦认为，变化的磁场之所以会使导体产生电流，是因为变化的磁场产生了涡旋电场。

零磁通电流传感器的工作原理基于磁-电转换，依赖于磁材料的强非线性。根据麦克斯韦方程组，直流电流产生的静磁场没有可测的电效应，如果是线性系统，则系统的输出与输入电流之间没有任何关系，即线性系统不可能通过磁通感应测量直流电流。非线性系统可以在输入的直流电流和输出之间建立联系。

AnyWay零磁通电流传感器原理图

AnyWay零磁通电流传感器全系列图片

由于直流电流没有可测的电效应，为使系统能够“动”起来，首先需要构造一个交变电流Iac与直流输入电流Idc叠加，它们共同作用在非线性的磁材料上，即“磁调制”过程。设系统的响应函数为f(Idc+Iac)，它是一个非线性方程，为简单起见，这里仅考虑到二次项，忽略更高阶，即形式为：

f(x)=ax+bx2 公式(1)

“调制”过程可表述为：

f(Idc+Iac)=a(Idc+Iac)+b(Idc+Iac)2

=(a*Idc+b*Idc2)+(a*Iac+ b*Iac2+2b*Idc*Iac) 公式(2)

由于直流电流没有可测电效应，公式(2)中的前一部分没有作用，即等于0，仅保留作用项：

f(Idc+Iac)=a*Iac+ b*Iac2+2b*Idc*Iac 公式(3)

请注意公式(3)中的最后一项2b*Idc*Iac，该项体现了直流电流的影响，即通过调制，非线性系统可以对直流电流做出响应;且非线性越强，即系数b越大，直流响应越强。如果是线性系统，系数b=0，则不会响应直流电流。这就是为什么必须采用非线性系统的原因，幸运的是，磁材料本身的B-H特性就是强非线性的。

上述非线性系统的输出，不但包含了有用的直流电流信息，也包含了不需要的“调制”交流电流信息，整个系统的响应设计为与“调制”交流电流无关。即需要一个“解调”过程将不需要的“调制”交流电流信息去掉，即去掉项a*Iac、b*Iac2，还要将项2b*Idc*Iac中的Iac化为常数。最终形式为：f(Idc+Iac)=a*Idc。

原理图中的“DC Stim & Sense”部分代表直流电流激励和感应，包含“调制”过程。采用两个反激的磁心可抵消公式(3)中的aIac项。“Signal Condition”部分包含“解调”部分，解调部分需要低通滤波器配合，用以去掉公式(3)中的bIac2项。这会造成DC支路信号带宽较低，此支路主要响应直流和低频交流输入。为拓展带宽，引入AC支路，即第三个磁心“AC Sense”，中高频交流电流输入主要靠此支路感应。“Signal Condition”部分的输出经过功放(PA)电路放大，输出电流Iout，抵消掉输入电流Iin产生的磁通，平衡时达到零磁通状态，即Iin-Iout*NS=0，也即

Iin:Iout=NS:1 公式 (4)

输入-输出电流之比等于线圈匝比，与其他因素，如温度变化等无关。公式(4)不仅对直流成立，对一定频率范围内的交流电流同样成立，响应频率可实现百kHz~MHz量级。因此，传感器具备宽频工作特性，工作频率可从直流一直到MHz量级。

由于磁通几乎被完全封闭在环形铁芯中，有效磁导率非常高，漏磁非常少，加上系统很高的开环环路增益，公式(4)在很高的精度上成立，一般可达10-6量级。这样的高精度带来多方面的好处，一是电流测量动态范围非常宽，单一传感器可从mA量级一直覆盖到kA量级;二是可以实现非常大的电流变比，Ns取值可高达1000~10000或更高。另一方面，磁通状态受电流母线的相对位置、温度、外部电磁干扰等环境影响非常轻微，一般在10-6量级附近。

输出电流信号Iout可通过高精度负载电阻RM转换为电压V=Iout·RM，用于进行测量。

审核编辑 黄宇