19世紀，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋建立的一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關系的偏微分方程。麥克斯韋認為，變化的磁場之所以會使導體產生電流，是因為變化的磁場產生了渦旋電場。

零磁通電流傳感器的工作原理基于磁-電轉換，依賴于磁材料的強非線性。根據麥克斯韋方程組，直流電流產生的靜磁場沒有可測的電效應，如果是線性系統，則系統的輸出與輸入電流之間沒有任何關系，即線性系統不可能通過磁通感應測量直流電流。非線性系統可以在輸入的直流電流和輸出之間建立聯系。

AnyWay零磁通電流傳感器原理圖

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由于直流電流沒有可測的電效應，為使系統能夠“動”起來，首先需要構造一個交變電流Iac與直流輸入電流Idc疊加，它們共同作用在非線性的磁材料上，即“磁調制”過程。設系統的響應函數為f(Idc+Iac)，它是一個非線性方程，為簡單起見，這里僅考慮到二次項，忽略更高階，即形式為：

f(x)=ax+bx2 公式(1)

“調制”過程可表述為：

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

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

由于直流電流沒有可測電效應，公式(2)中的前一部分沒有作用，即等于0，僅保留作用項：

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

請注意公式(3)中的最后一項2b*Idc*Iac，該項體現了直流電流的影響，即通過調制，非線性系統可以對直流電流做出響應;且非線性越強，即系數b越大，直流響應越強。如果是線性系統，系數b=0，則不會響應直流電流。這就是為什么必須采用非線性系統的原因，幸運的是，磁材料本身的B-H特性就是強非線性的。

上述非線性系統的輸出，不但包含了有用的直流電流信息，也包含了不需要的“調制”交流電流信息，整個系統的響應設計為與“調制”交流電流無關。即需要一個“解調”過程將不需要的“調制”交流電流信息去掉，即去掉項a*Iac、b*Iac2，還要將項2b*Idc*Iac中的Iac化為常數。最終形式為：f(Idc+Iac)=a*Idc。

原理圖中的“DC Stim & Sense”部分代表直流電流激勵和感應，包含“調制”過程。采用兩個反激的磁心可抵消公式(3)中的aIac項。“Signal Condition”部分包含“解調”部分，解調部分需要低通濾波器配合，用以去掉公式(3)中的bIac2項。這會造成DC支路信號帶寬較低，此支路主要響應直流和低頻交流輸入。為拓展帶寬，引入AC支路，即第三個磁心“AC Sense”，中高頻交流電流輸入主要靠此支路感應?！癝ignal Condition”部分的輸出經過功放(PA)電路放大，輸出電流Iout，抵消掉輸入電流Iin產生的磁通，平衡時達到零磁通狀態，即Iin-Iout*NS=0，也即

Iin:Iout=NS:1 公式 (4)

輸入-輸出電流之比等于線圈匝比，與其他因素，如溫度變化等無關。公式(4)不僅對直流成立，對一定頻率范圍內的交流電流同樣成立，響應頻率可實現百kHz~MHz量級。因此，傳感器具備寬頻工作特性，工作頻率可從直流一直到MHz量級。

由于磁通幾乎被完全封閉在環形鐵芯中，有效磁導率非常高，漏磁非常少，加上系統很高的開環環路增益，公式(4)在很高的精度上成立，一般可達10-6量級。這樣的高精度帶來多方面的好處，一是電流測量動態范圍非常寬，單一傳感器可從mA量級一直覆蓋到kA量級;二是可以實現非常大的電流變比，Ns取值可高達1000~10000或更高。另一方面，磁通狀態受電流母線的相對位置、溫度、外部電磁干擾等環境影響非常輕微，一般在10-6量級附近。

輸出電流信號Iout可通過高精度負載電阻RM轉換為電壓V=Iout·RM，用于進行測量。

審核編輯 黃宇