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      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·麦克斯韦树立的一组描绘电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。麦克斯韦以为,变化的磁场之所以会使导体产生电流,是由于变化的磁场产生了涡旋电场。


        零磁通电传播感器的工作原理基于磁-电转换,依赖于磁资料的强非线性。依据麦克斯韦方程组,直流电流产生的静磁场没有可测的电效应,假如是线性系统,则系统的输出与输入电流之间没有任何关系,即线性系统不可能经过磁通感应丈量直流电流。非线性系统能够在输入的直流电流和输出之间树立联络。


      AnyWay零磁通电流传感器原理图

      零磁通电传播感器原理图


        由于直流电流没有可测的电效应,为使系统可以“动”起来,首先需求结构一个交变电流Iac与直流输入电流Idc叠加,它们共同作用在非线性的磁资料上,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,这里仅思索到二次项,疏忽更高阶,即方式为:


      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)中的前一局部没有作用,即等于0,仅保存作用项:


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


        请留意公式(3)中的最后一项2b*Idc*Iac,该项表现了直流电流的影响,即经过调制,非线性系统能够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。假如是线性系统,系数b=0,则不会响应直流电流。这就是为什么必需采用非线性系统的缘由,侥幸的是,磁资料自身的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,也包含了不需求的“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。即需求一个“解调”过程将不需求的“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。最终方式为:f(Idc+Iac)=a*Idc。


        原理图中的“DC Stim & Sense”局部代表直流电流鼓励和感应,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!癝ignal Condition”局部包含“解调”局部,解调局部需求低通滤波器配合,用以去掉公式(3)中的bIac2项。这会形成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!癝ignal Condition”局部的输出经过功放(PA)电路放大,输出电流Iout,抵消掉输入电流Iin产生的磁通,均衡时到达零磁通状态,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,与其他要素,如温度变化等无关。公式(4)不只对直流成立,对一定频率范围内的交流电流同样成立,响应频率可完成百kHz~MHz量级。因而,传感用具备宽频工作特性,工作频率可从直流不断到MHz量级。


        由于磁通简直被完整封锁在环形铁芯中,有效磁导率十分高,漏磁十分少,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,普通可达10-6量级。这样的高精度带来多方面的益处,一是电流丈量动态范围十分宽,单一传感器可从mA量级不断掩盖到kA量级;二是能够完成十分大的电流变比,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十分细微,普通在10-6量级左近。


        输出电流信号Iout可经过高精度负载电阻RM转换为电压V=Iout·RM,用于停止丈量。


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