本發(fā)明涉及交流電流傳感器領域，尤其涉及一種帶有C型磁環(huán)的基于磁電層狀復合材料的交流電流傳感器。

背景技術：

在電流檢測領域，最為常見的兩種手段是采用互感線圈或霍爾電流傳感器，然而它們各自都存在一些不足之處：互感線圈必須事先接入待測電路，當需要臨時測量工作中的主電路時，必須先斷開主電路，待互感線圈器接入主電路后再恢復工作，不利于安裝和維護；霍爾電流傳感器是有源器件，工作時要求外電源為其提供恒定的直流電流。此外，還可采用磁電層狀復合材料制備電流傳感器，該電流傳感器本質(zhì)上測量的是待測電流的磁場，且無需外部電源供電，在電路上可等效成無源二端流控電壓源，因而不存在前述互感線圈和霍爾電流傳感器的問題。

近年來，利用磁電層狀復合材料制作電流傳感器的研究發(fā)展十分迅速。對于基于磁電層合材料的電流傳感器而言，需要關注的指標包括電流檢測的幅值范圍、頻率范圍以及測量靈敏度，這三者決定了基于磁電層合材料的電流傳感器的電流檢測能力和應用場合。

2004年，美國弗吉尼亞理工大學的董蜀湘等人制作并改進了一種環(huán)形結構的磁電層合材料，其由兩層沿環(huán)形方向磁化的磁致伸縮材料(Terfenol-D)01和一層沿厚度方向極化的壓電材料(PZT)02粘接成如圖1所示的三明治結構,，可作為交流磁場和電流傳感器。該電流傳感器中磁電層合材料的直徑為8mm，厚度為7.5mm，在10^-8A到10^-4A電流范圍內(nèi)具有0.7mV/mA的測量靈敏度^[1]。2010年，香港理工大學的Chung Ming Leung等人設計了一種用于交流電流檢測的環(huán)形磁電層合材料，其也由兩層沿環(huán)形方向磁化的磁致伸縮材料Terfenol-D和一層沿厚度方向極化的壓電材料PZT粘接成三明治結構，其外徑為12.5mm，內(nèi)徑為5mm，厚度為7.5mm，在0.01A到1A電流范圍內(nèi)具有12.6mV/A的測量靈敏度^[2]。需要說明，測量靈敏度實際上反映了兩點信息：傳感器輸出電壓和待測電流之間特性曲線的斜率，以及傳感器檢測電流的分辨能力。測量靈敏度越大，則傳感器電壓電流特性曲線的斜率越大，傳感器檢測電流的分辨能力越高。

在這些研究中，制成的基于環(huán)形磁電層合材料的電流傳感器雖然都能夠完成電流檢測任務，具有較高的測量靈敏度，但存在兩方面的不足：一是難以做成開口結構，而載流導線又必須從傳感器環(huán)中穿心而過，這給傳感器的安裝和維護帶來了一些不便，即在安裝或維護傳感器時不得不先斷開主電路，再進行停電穿線作業(yè)；二是磁電層合材料的環(huán)形結構很大程度上限制了可測的電流范圍，通常只能限定測量在1A以下的交流電流，在檢測安到百安量級的電流時有所欠缺。

[1]Dong S,Li J,Viehland D.Vortex magnetic field sensor based on ring-type magnetoelectriclaminate[J].Applied Physics Letters,2004,85(12):2307-2309.

[2]Leung C M,Or S W,Zhang S,et al.Ring-type electric current sensor based on ring-shaped magnetoelectric laminate of epoxy-bonded Tb0.3Dy0.7Fe1.92short-fiber/NdFeB magnet magnetostrictive composite and Pb(Zr,Ti)O3piezoelectric ceramic[J].Journal of Applied Physics,2010,107(9):9D-918D.

技術實現(xiàn)要素：

為了在電流傳感器的設計和實現(xiàn)方案中著眼于大電流檢測，并充分考慮便于測量、安裝和維護的要求，本發(fā)明提出了一種帶有C型磁環(huán)的基于磁電層合材料的交流電流傳感器，其能夠有效測量幾安到幾百安級別的交流電流，并在安裝和維護的便捷性上具有一定的優(yōu)勢。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種帶有C型磁環(huán)的基于磁電層合材料的交流電流傳感器，該交流電流傳感器為由C型磁環(huán)和位于該C型磁環(huán)缺口處的測量模塊構成的一個閉合環(huán)狀結構，C型磁環(huán)和測量模塊之間通過承托層形成可拆卸連接；其中，所述測量模塊為層狀結構，包括中部的磁電層合材料、以及沿該磁電層合材料厚度方向?qū)ΨQ設置的永磁體層；所述C型磁環(huán)和永磁體層的截面均完全覆蓋磁電層合材料的截面。

所述C型磁環(huán)采用相對磁導率大于1000的磁性材料制成。

所述磁電層合材料平面呈圓形或者四邊形。

本發(fā)明的有益效果是：(1)高導磁材料制成的C型磁環(huán)套在待測通電導線外，可以起聚磁作用，將導線產(chǎn)生的交流磁場匯聚穿過圓片形磁電層合材料的厚度方向，有利于提高傳感器的測量靈敏度；(2)便于安裝和維護，使用時不必對待測線路進行斷電或改接，也不必對其額外供電，屬于無源器件；(3)在測量有效值700A以內(nèi)的大電流時，輸出電壓波形與待測電流波形相吻合，輸出電壓與待測電流的幅值之間具有良好的線性關系，其測量靈敏度和已有的基于磁電層合材料的電流傳感器的靈敏度均處于mV/A的數(shù)量級。由靈敏度和輸出電壓可以方便地推得待測電流值；(4)抗干擾能力較好，在側(cè)端放置方式下，能夠幾乎完全屏蔽一定距離以外鄰相導線產(chǎn)生的電磁干擾；(5)能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶測量，在40Hz到1500Hz范圍內(nèi)有相對平坦的電壓輸出，既適用于智能家電等工頻環(huán)境，也適用于諧波電流等高頻場合。

附圖說明

圖1為文獻[1]中的基于環(huán)形磁電層合材料的電流傳感器的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的三維結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中圓片形磁電層合材料的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中磁致伸縮材料Terfenol-D的動態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線；

圖5為本發(fā)明實施例的電壓電流特性曲線(765A以下)；

圖6為本發(fā)明實施例的頻率特性曲線；

圖7為本發(fā)明實施例中鄰相導線的不同放置情況示意圖。

圖中，1.C型磁環(huán)，2.載流導線，3.磁致伸縮層，4.壓電層，5.永磁體層，6.承托層，7.環(huán)氧樹脂膠。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進一步詳細說明如下：

本發(fā)明提出的一種帶有C型磁環(huán)的基于磁電層合材料的交流電流傳感器，整體結構如圖2所示，該交流電流傳感器為由C型磁環(huán)1和位于該C型磁環(huán)缺口(該缺口即為C型磁環(huán)的氣隙)處的測量模塊構成的一個閉合環(huán)狀結構，C型磁環(huán)1和測量模塊之間通過承托層6形成可拆卸連接；其中，測量模塊為層狀結構，包括中部的磁電層合材料、以及沿該磁電層合材料厚度方向?qū)ΨQ設置的永磁體層5，所述C型磁環(huán)1和永磁體層5的截面均需完全覆蓋磁電層合材料的截面。

本發(fā)明交流電流傳感器各組成部件的具體實現(xiàn)方式及功能詳細說明如下：

所述磁電層合材料平面呈圓形或者四邊形，由磁致伸縮層(M)3、壓電層(P)4、磁致伸縮層(M)3按順序依次通過環(huán)氧樹脂膠7粘合而成。本實施例的磁電層合材料整體呈圓柱狀，如圖3所示，磁致伸縮層3和壓電層4均為圓片形，分別采用沿厚度方向磁化的稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)和沿厚度方向極化的壓電陶瓷片(PZT)制成，各層厚度均為2mm、直徑均為2cm。制作工藝如下(該制作工藝為常規(guī)技術手段)：使用環(huán)氧樹脂膠7將材料按M-P-M順序依次層合粘合后，在85℃溫度下烘烤6小時，待環(huán)氧樹脂膠固化后，采用導電銀膠在磁電層合材料上下表面引出導線。由于Terfenol-D為電的良導體，從磁電層合材料上下表面導線引出的輸出電壓即為PZT電極化產(chǎn)生的電位差。該圓片形磁電層合材料的工作原理如下：在由永磁體層5提供的直流偏置磁場下，磁致伸縮層3 受外界沿該磁致伸縮層厚度方向的交變磁場激發(fā)，會因磁致伸縮效應而產(chǎn)生徑向的、與交變磁場同頻率的形變，這一形變通過環(huán)氧樹脂膠7傳遞至壓電層4，使之由于壓電效應產(chǎn)生沿厚度方向的電極化，體現(xiàn)為厚度方向上產(chǎn)生同頻率電壓。因此，它可以將待測電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而間接地給出待測電流的頻率、幅值等信息，完成電流檢測任務。電流測量靈敏度和磁致伸縮材料的動態(tài)磁致伸縮系數(shù)成正比，而動態(tài)磁致伸縮系數(shù)是關于磁場的函數(shù)。因此結合實際應用場合，可通過改變直流偏置磁場以改變磁致伸縮材料的動態(tài)磁致伸縮系數(shù)，從而達到改變磁電層合材料的電流測量靈敏度的目的。動態(tài)磁致伸縮系數(shù)分為縱向磁致伸縮系數(shù)d_33,m和橫向磁致伸縮系數(shù)d_31,m，本實施例中磁致伸縮材料Terfenol-D經(jīng)測量得到的動態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線如圖4所示?？梢钥闯?，縱向磁致伸縮系數(shù)d_33,m隨著磁場的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；而橫向磁致伸縮系數(shù)d_31,m是磁場的單調(diào)函數(shù)，隨著磁場的增加逐漸上升。檢測時輸出電壓和待測電流需一一對應，即輸出電壓需是待測電流的單調(diào)函數(shù)，也即測量靈敏度需是直流磁場的單調(diào)函數(shù)，因此采用d_31,m工作模式的磁電層合材料可以檢測的電流范圍更大。文獻[1]和[2]中Terfenol-D沿環(huán)形方向磁化，測量靈敏度和縱向磁致伸縮系數(shù)d_33,m成正比，而在本實施例中采用的圓片形Terfenol-D沿厚度方向磁化，測量靈敏度和橫向磁致伸縮系數(shù)d_31,m成正比，此舉可以有效地增加本傳感器的檢測電流范圍。

所述C型磁環(huán)選擇相對磁導率大于1000的磁性材料，該C型磁環(huán)主要起聚磁作用。本實施例的C型磁環(huán)采用相對磁導率為1000的鐵氧體，該鐵氧體磁環(huán)的外徑102mm、內(nèi)徑65mm、氣隙長30mm。當載有待測電流的導線穿過C型磁環(huán)中心時，該磁環(huán)可以提供一個相對閉合的磁路，使得待測電流產(chǎn)生的交流磁場能夠通過該磁路作用于圓片形磁電層合材料上，并對外界的雜散磁場起屏蔽作用。此外，為使磁電層合材料中的磁致伸縮層3能夠獲得較大的動態(tài)磁致伸縮系數(shù)，以提高電流測量靈敏度，還需沿磁電層合材料的厚度方向?qū)ΨQ地加入一對永磁體層5來提供直流偏置磁場，本實施例采用表面磁場強度為1150Oe的釹鐵硼永磁體作為永磁體層5。將圓片形磁電層合材料和永磁體層5置入C型磁環(huán)1的氣隙中，永磁體層5和C型磁環(huán)1之間由主要起固定和承托作用的承托層6進行填充，該承托層可采用硬質(zhì)紙片或海綿制成。為使C型磁環(huán)1中的交流磁場和永磁體層5提供的直流偏置磁場均勻穿過圓片形磁電層合材料，C型磁環(huán)1和永磁體層5的截面均需完全覆蓋圓片形磁電層合材料的截面。

本發(fā)明中位于C型磁環(huán)氣隙中的測量模塊和承托層6，可以從氣隙中取出。在測量電流時可以先讓載流導線從C型磁環(huán)氣隙中穿入，再將測量模塊和承托層置入氣隙中。通過示波器或者鎖相放大器測量壓電層兩端的輸出電壓，即可間接得到待測交流電流值。在使用該交流電流傳感器時無需改變待測線路的拓撲，本發(fā)明裝置可以隨時裝卸，且安裝和維護均較方便。

本實施例交流電流傳感器的有效性驗證：

1、測量靈敏度檢測

使用本實施例的電流傳感器測量待檢測電路中載流導線中的電流，該待檢測電路包括調(diào)壓器、變流器、載流導線、鉗形電流表、精度為0.5級、額定電流比為750A/5A的標準電流互感器和示波器；由調(diào)壓器產(chǎn)生一個幅值可調(diào)的工頻電壓，該電壓接到變流器輸入端；變流器內(nèi)部為繞有多匝線圈的鐵芯，該鐵芯工作原理與變壓器原理類似，可在作為副邊的短路載流導線上產(chǎn)生高達幾百安的大電流；載流導線依次穿過鉗形電流表和標準電流互感器，其中鉗形電流表用于待測電流的粗測，方便試驗時調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓；標準電流互感器的輸出端接有阻值為2.13Ω的標準電阻絲，電阻絲兩端的電壓接入示波器，換算出當前待測電流的精確值，作為參考標準。

本實施例電流傳感器的測量過程為：先讓載流導線從C型磁環(huán)的氣隙中嵌入，再在氣隙中置入承托層6和測量模塊，這樣即可在保持待測電路閉合的情況下實現(xiàn)電流的測量。將由本實施例電流傳感器引出的一對輸出端接入示波器，示波器顯示的電壓值間接作為當前電流的測量值。

截取765A以下的測量結果進行線性擬合，線性擬合的截距項設定為0.049V，即當載流導線中無電流時傳感器在試驗環(huán)境電磁干擾下的輸出。擬合得到的結果如圖5所示。

由擬合結果可知，在測量700A以下的工頻大電流時，傳感器的輸出電壓幅值與待測電流幅值之間存在良好的線性關系，本實施例的測量靈敏度為4.5mV/A，和已有的基于磁電層合材料的電流傳感器的靈敏度均處于mV/A的數(shù)量級。雖然從數(shù)值上來看，本實施例的4.5mV/A小于文獻[2]中的12.6mV/A，但由于幾百安的大電流對應的輸出電壓不能超過示波器或者鎖相放大器的量程，而示波器或者鎖相放大器的輸出電壓量程較小，因此一個較小數(shù)值的mV/A數(shù)量級的測量靈敏度更適用于大電流檢測。

2、頻率特性檢測

為測定本實施例電流傳感器的頻率特性，采用功率信號發(fā)生器產(chǎn)生有效值為200mA的電流，利用漆包線作為載流導線，將其密繞于本實施例電流傳感器的C型磁環(huán)上共100匝，獲得相當于20A的等效電流。試驗中信號發(fā)生器產(chǎn)生電流信號的最低頻率為10Hz，依次增大頻率并保證輸出電流幅值不變，觀察本實施例電流傳感器的輸出電壓，如圖6所示。

可以發(fā)現(xiàn)，本實施例電流傳感器的輸出電壓隨測量頻率升高整體呈下降趨勢，并在相當一段頻率范圍內(nèi)有著平坦的輸出。以50Hz的輸出電壓為基準，本實施例電流傳感器在25Hz到3000Hz范圍內(nèi)輸出電壓的偏差在±5％以內(nèi)，在40Hz到1500Hz范圍內(nèi)輸出電壓的偏差在±2％以內(nèi)。因此，該傳感器能夠在工頻30倍頻內(nèi)有著相對平坦的輸出，具備寬頻帶測量的能力。具體來說，既適用于智能家電等工頻環(huán)境，也適用于諧波電流等高頻場合。

3、抗鄰相電流干擾能力檢測

測量大電流對應的場合往往并不是僅存在待測的單相電流，而是除了待測電流之外，附近還有其他的大電流與其組成三相電流。因此，鄰相電流的電磁干擾有可能對傳感器的輸出造成影響。為了確定本實施例電流傳感器的抗鄰相電流干擾能力，進行以下試驗：

將鄰相導線放置于圖7中的A、B或C處，每次僅放置一根，分別研究本實施例電流傳感器在三種不同情況下的抗干擾能力。僅放置導線A時，稱此情況為近端情況；僅放置導線B時，稱此情況為側(cè)端情況；僅放置導線C時，稱此情況為遠端情況；假設待測載流導線與鄰相導線之間的距離為d。

為確定本實施例電流傳感器的抗鄰相電流干擾能力，令待測載流導線無電流，鄰相載流導線通入恒定的工頻電流，對本電流傳感器進行抗干擾試驗，測試該傳感器在不同工作情況、不同的兩相導線距離d下的輸出，并將其轉(zhuǎn)換成對應的內(nèi)部等效測量電流。這樣可以直觀地看出本來并未測量電流的傳感器在鄰相干擾下，測量出的等效誤差電流。

保持鄰相載流導線中的電流為工頻有效值210A不變，依次分別改變鄰相導線距離d為10cm，15cm，20cm，在三種不同的工作情況下獲得傳感器的輸出電壓，并轉(zhuǎn)換成內(nèi)部等效測量電流值，如下表所示。

(1)在鄰相導線距離一定時，在側(cè)端情況下傳感器抗干擾能力更強。這是因為傳感器中的磁電層合材料磁化方向為其厚度方向，當外磁場與其磁化方向相同時，磁致伸縮層才產(chǎn)生徑向形變，從而使傳感器產(chǎn)生電壓輸出。相比另兩種情況，側(cè)端情況能使鄰相電流的磁場最小程度地沿厚度方向通過磁電層合材料，因此具有最好的抗干擾能力。在工程實際應用中大量存在著測量三相電流的場合，此時宜在此情況下進行測量。

(2)在傳感器工作情況不變時，鄰相導線距離越大，傳感器受到的干擾越小。在側(cè)端情況下，傳感器測得的內(nèi)部等效電流僅為0.3A，基本可忽略不計，即在鄰相載流210A并與傳感器距離30cm的外界條件下，采用上端放置方式的傳感器已經(jīng)基本不再受到干擾。在工程應用場合中，鄰相載流導線之間均有規(guī)定的安全距離，對于在側(cè)端情況下工作的傳感器而言，其鄰相抗干擾能力已可滿足要求。