一種采用壓電復(fù)合音叉的電流傳感器研究

王 英,楊愛超*,周煦光,劉 見,朱 亮,李 敏,吳 宇,張吉濤,何 偉

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南昌 330096;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院,鄭州 450002;3.廣西百色學(xué)院,廣西 百色 100120)

電流測量技術(shù)對電力系統(tǒng)中各級輸電線路和設(shè)備的保護(hù)、監(jiān)測、控制、分析和決策及電能計(jì)量起著重要的作用。電流測量技術(shù)大致可以分為接觸式電流測量和非接觸式電流測量。典型的接觸式電流測量器件有分流器和電磁感應(yīng)式電流互感器,但是因測量時必須串聯(lián)接入通路中而缺少與輸電線路之間必要的電氣隔離,容易對人身安全和二次設(shè)備造成傷害[1]。因此,非接觸式測量越來越成為研究的熱點(diǎn)。

電磁式電流非接觸測量技術(shù)以羅氏線圈為代表。由于羅氏線圈的繞線均勻沒有磁芯因此不存在磁芯飽和問題,并且具有較大的動態(tài)范圍因此更適合用于大電流的測量,同時可以用于測量尺寸很大或形狀不規(guī)則的導(dǎo)體電流。羅氏線圈在高壓設(shè)備瞬態(tài)電流測量、50 Hz輸電線電流測量和局部放電測量等方面都有卓越表現(xiàn)[2-3]。羅氏線圈在測量中會有一些缺陷:它的性能會受到外界溫度、磁場等因素的影響,這是由于羅氏線圈是空心線圈沒有高磁導(dǎo)率材料作為磁芯進(jìn)行聚磁,更容易受到外界磁場的干擾;另外,穿心導(dǎo)線中心位置的變化對輸出信號影響極大。

霍爾效應(yīng)式電流非接觸測量技術(shù)的核心為霍爾元件?；魻栐粡V泛地應(yīng)用在磁場測量、微位移感知、壓力、振動和加速度等非電量的測量,也可對由電流產(chǎn)生的環(huán)形磁場進(jìn)行探測[4]。作為非接觸式電流測量方法的一種,霍爾式電流測量裝置是將霍爾元件放入到開口的軟磁磁芯以達(dá)到電流探測的目的,是一種新型的復(fù)合式傳感器?；魻柺诫娏鱾鞲衅饕蜷_口氣隙的存在影響了整個磁路磁通匯聚的效率,但是在一定程度上輸出信號避免了由高磁導(dǎo)率磁芯的飽和失真[5]?；魻柺降碾娏鱾鞲衅髯铒@著的特點(diǎn)是具有很大的響應(yīng)帶寬,但是霍爾元件畢竟是一個有源器件,在使用過程中必須要外加偏置電壓以保證它的正常工作,限制了其適用范圍[6]。

光電式電流非接觸測量技術(shù)是針對電力系統(tǒng)用傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式電流互感器具有磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小,頻帶窄以及絕緣麻煩等缺點(diǎn),利用光學(xué)傳感器技術(shù)發(fā)展起來的一種測量技術(shù),其核心器件—光電式電流互感器OCT(Optical Current Transformer)可以克服上訴缺點(diǎn)且具有良好的電氣絕緣特性,并成為近年來研究的熱點(diǎn)[7]。光波在光學(xué)介質(zhì)(例如光纖、光學(xué)晶體等)中的傳播可用光強(qiáng),頻率、波長、相位和偏振態(tài)來描述,當(dāng)其中某一參數(shù)隨外界因素發(fā)生變化時,可調(diào)制該參數(shù)作為敏感量去測量使其改變的參數(shù)值,最常用的調(diào)制方法是基于法拉第效應(yīng)的偏振角調(diào)制。根據(jù)核心傳感元件的不同,該類傳感器又可以分為磁光材料和全光纖型電流傳感器。隨著上世紀(jì)六十年代光纖的發(fā)明,光纖電流傳感器的高絕緣性和強(qiáng)抗電磁干擾性等優(yōu)良性能,光纖傳感技術(shù)迅速發(fā)展并逐漸應(yīng)用于高電壓線路傳輸及微弱電流的探測。但是光電式電流傳感器的光源穩(wěn)定性直接影響測量性能,并且易受環(huán)境振動、溫度變化的影響因而導(dǎo)致不良的穩(wěn)定性;另外復(fù)雜的光路也限制了其廣泛應(yīng)用。

巨磁阻/阻抗式電流非接觸測量技術(shù)利用巨磁阻效應(yīng)或者巨磁阻抗效應(yīng)進(jìn)行測量。巨磁阻效應(yīng)GMR(Giant Magnetoresistance),是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象[8]。美國北卡羅來納大學(xué)Dogaru等人設(shè)計(jì)了用于非磁性金屬表面缺陷檢測的巨磁阻漏電流傳感器,由于該傳感器具有自校準(zhǔn)的性質(zhì)使得后端的調(diào)理電路更簡單,可以在220 mV/mA的靈敏度下測量從直流到1 MHz的電流頻率[9]。但是,由于固有1/f噪聲的存在使得基于GMR效應(yīng)的電流傳感器件在低頻時測量能力較弱。巨磁阻抗效應(yīng)是指鐵磁材料的交流阻抗會隨外加磁場而發(fā)生顯著變化[10]。GMI效應(yīng)的存在極其依賴材料的特性,研究發(fā)現(xiàn)非晶和納米晶類磁性帶材、絲材及薄膜中都發(fā)現(xiàn)了GMI效應(yīng),這些發(fā)現(xiàn)為電流傳感器的研發(fā)提供了更多的材料選擇。2003年,韓國忠南國立大學(xué)Rheem等人采用基于鈷基非晶帶材Co66Fe4 B15Si15設(shè)計(jì)了一種巨磁阻抗效應(yīng)電流傳感器。傳感器的輸出電壓與輸入電流具有良好的線性關(guān)系,且該傳感器測量直流磁場的性能好于測量交流磁場[11]。但是,基于巨磁阻/阻抗式效應(yīng)的電流測量技術(shù)依然需要穩(wěn)定的電源供電以保證測量的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

壓電式電流非接觸測量技術(shù)利用壓電效應(yīng)原理進(jìn)行測量[12]。2006年美國加州大學(xué)伯克利分校Wright P K課題組最早提出復(fù)合懸臂梁式電流傳感器的原始模型[12],該器件由壓電雙晶片懸臂梁彈性結(jié)構(gòu)和NdFeB塊狀永磁體組成,用于家用電器中60 Hz雙芯電線中的電流監(jiān)測。根據(jù)安培左手定則在靜態(tài)磁場中的通電電流會產(chǎn)生安培力,帶永磁體的懸臂梁結(jié)構(gòu)會受到縱向安培力的反作用力,因此當(dāng)有交變電流輸入懸臂梁結(jié)構(gòu)會帶動貼在夾持端的壓電材料產(chǎn)生同樣頻率的機(jī)械振動。它的固有諧振頻率為110 Hz,NdFeB永磁體被放置于梁的末端目的是進(jìn)行頻率調(diào)諧和提供靜態(tài)偏置磁場。2009年,一種用于電流測量的懸臂梁結(jié)構(gòu)的MEMS器件模型被提出[13],AlN作為懸臂梁并提供輸出。將其在型號為16 AWG 和18 AWG的雙芯電纜上進(jìn)行測試,給定20 A和13 A的輸入電流,輸出的靈敏度分別達(dá)到0.87 mV/A和1.08 mV/A。日本茨城大學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的Isagawa等人采用與伯克利課題組提出結(jié)構(gòu)類似的MEMS級電流傳感器件,不同的是該器件使用了5片并行排列的PZT串聯(lián)起來作為輸出,并測量了該器件在通有直流電流的單芯和雙芯電纜激勵下的電流靈敏度。同時將該器件用于帶開關(guān)的直流電流通路中用于檢測開關(guān)關(guān)斷時的脈沖信號,測試結(jié)果表明對雙芯線路中直流電流測量的最高靈敏度可以達(dá)到7 mV/A[14]。當(dāng)前已有的復(fù)合懸臂梁式電流傳感器模型雖然相對其他原理的測量技術(shù)[15]具有較高的靈敏度,但是靈敏度依然不夠高,特別是針對弱電流的測量[16]。這是因?yàn)槠鋸椥越Y(jié)構(gòu)懸臂梁的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Q值)依然不夠高導(dǎo)致壓電轉(zhuǎn)換過程中的損耗依然不小。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

為了提高低頻微弱電流的測量靈敏度,針對本文研制了一種采用壓電復(fù)合音叉的電流傳感器(或壓電復(fù)合音叉式電流傳感器)來進(jìn)行非接觸測量,結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,其由一個彈性銅音叉、兩塊壓電片和一組永磁鐵組成。當(dāng)傳感器處于載流電線(Ii)周圍交變磁場(Hac)中時,永磁體在交變磁場Hac作用下因磁扭矩效應(yīng)產(chǎn)生扭矩并驅(qū)動音叉臂及壓電片產(chǎn)生形變;因壓電效應(yīng),形變的壓電片兩端電極之間輸出交變電壓信號,從而實(shí)現(xiàn)電流的測量。由于兩音叉臂振動時存在諧振耦合作用,因此該傳感器相比已有的單懸臂梁結(jié)構(gòu)(圖1(a))具有更強(qiáng)的振動和更高的諧振Q值,從而產(chǎn)生更高的電壓輸出和靈敏度。

圖1 (a);(b);(c)

如圖1(b)所示,根據(jù)安培定律,當(dāng)載流導(dǎo)線流經(jīng)交變電流Ii時,將在其周圍(空氣)產(chǎn)生交變磁場Hac,其以電線中心為圓心呈環(huán)形分布,大小為Hac=Ii/2πr,其中為Ii電流大小,r表示距離電流中心的距離?，F(xiàn)將壓電復(fù)合音叉式電流傳感器置于電線附近,并且兩音叉臂關(guān)于電線對稱。此時,由于音叉臂自由端的永磁鐵的極化磁場(J1、J2)與電線磁場Hac發(fā)生磁場交互作用,兩個永磁鐵將產(chǎn)生相反的彎曲扭矩[M1、M2,M1(M2)=J1(J2)·VM×Hac,其中VM為永磁鐵的體積],同時導(dǎo)致兩音叉臂發(fā)生反相振動。當(dāng)音叉工作在基本諧振模態(tài)時,其固定端相當(dāng)于一個無振動的節(jié)點(diǎn)。因此,彈性波能夠以從一個音叉臂自由端傳播到另一邊而損失很少的能量。此外,因?yàn)橐舨婀ぷ髟诎氩ㄖC振模態(tài),所以該彈性波到達(dá)另一音叉臂自由端時將發(fā)生180°的反相,其剛好與該音叉臂自由端處振動發(fā)生同相疊加。因而,每個音叉臂具有增強(qiáng)的振動和提高的Q值。為了更好地研究由音叉臂之間諧振耦合效應(yīng)導(dǎo)致的振動增強(qiáng)機(jī)制,本文利用有限元法軟件COMSOL MULTIPHYSICS的Structural Mechanics Module模塊計(jì)算了相同激勵下單懸臂梁和音叉的諧振態(tài)位移和應(yīng)力分布,如圖2所示。為了簡化有限元計(jì)算,將磁扭矩產(chǎn)生的機(jī)械力沿z軸方向直接施加在懸臂梁及音叉臂的自由端。計(jì)算過程中,先在固定端施加xyz三軸零位移,并利用本征模態(tài)計(jì)算功能確定結(jié)構(gòu)的主諧振態(tài);再在結(jié)構(gòu)自由端施加以主振頻率為信號頻率的機(jī)械力,最后計(jì)算得到主諧振態(tài)下的位移及應(yīng)力分布。由圖2可知,在主諧振態(tài)下,每個音叉臂的最大振動位移約為懸臂梁自由端的3.5倍,而其固定端附近平均應(yīng)力則為懸臂梁相應(yīng)位置的4倍。為了獲得最大化的電壓輸出,應(yīng)將壓電片放置在應(yīng)力最大處,即音叉固定端附近。

圖2 懸臂梁與音叉主諧振態(tài)下

2 實(shí)驗(yàn)樣品制作及實(shí)驗(yàn)設(shè)置

壓電復(fù)合音叉式電流傳感器的制作:分別將兩塊壓電片及永磁鐵粘貼在音叉的固定端附近及自由端處。其中音叉由一塊銅片加工而成,其規(guī)模為長102 mm、寬6 mm、厚0.4 mm;并且保證兩臂盡量一致,兩音叉臂的各段長度為4 mm(l1)、16 mm(l2)、30 mm(l3),兩臂沿z軸方向的最大間距為d=17 mm。永磁鐵選用剩磁為1.2 T,大小為6 mm×6 mm×6 mm的NdFeB磁鐵,且一對同極性磁鐵以環(huán)氧樹脂膠粘的方式固定在音叉臂自由端。壓電片選用PZT-8壓電板,尺寸為10 mm×6.0 mm×0.2 mm,同樣以環(huán)氧樹脂膠粘的方式固定在音叉固定端。具體制作的壓電復(fù)合音叉式傳感器樣品如圖1(b)所示。此外,作為對比實(shí)驗(yàn)制作了壓電懸臂梁式電流傳感器樣品,其由懸臂梁、壓電片及永磁鐵組成,壓電片和永磁鐵用環(huán)氧樹脂膠分別粘貼在懸臂梁固定端附近和自由端。懸臂梁由規(guī)模為的銅片46 mm×6 mm×0.4 mm加工而成,壓電片及永磁鐵選擇與壓電復(fù)合音叉式電流傳感器一樣。

在實(shí)驗(yàn)中,由函數(shù)發(fā)生器Tektronix AFG3021B提供電信號輸入電線,并在電流回路內(nèi)串聯(lián)5.0 Ω電阻作為電流量監(jiān)測電阻。函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的電信號頻率變化范圍選為10 Hz～70 Hz。對于電流傳感器的壓電輸出,若信號較大(>100 mV),則選用示波器讀取;若較小(<100 mV),則選用鎖相放大器測量。所有的實(shí)驗(yàn)均在室溫和室壓下完成。

圖3 壓電復(fù)合懸臂梁輸出電壓(Vc)與壓電復(fù)合音叉單臂輸出電壓(Vfa)及雙臂串聯(lián)輸出總電壓(Vf)與電流頻率的關(guān)系曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測量了壓電復(fù)合懸臂梁式電流傳感器與壓電復(fù)合音叉式電流傳感器開路輸出電壓與輸入電流頻率的關(guān)系,如圖3所示。當(dāng)輸入電流大小為1.0 A時,壓電懸臂梁和壓電復(fù)合音叉單臂的最大開路輸出電壓分別為0.35 V、0.70 V,諧振頻率分別為43.8 Hz、41.7 Hz。因?yàn)閴弘姀?fù)合音叉結(jié)構(gòu)的諧振機(jī)械Q值為272,其幾乎是壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的3.8倍,所以壓電復(fù)合音叉結(jié)構(gòu)單臂的電壓輸出幾乎是壓電懸臂梁的2倍。為了獲得更高的靈敏度,可以將壓電復(fù)合音叉的雙臂壓電片串聯(lián),這時壓電復(fù)合音叉輸出總電壓為1.41 V,則電流靈敏度可達(dá)1.41 V/A,幾乎為壓電懸臂梁式電流傳感器的4.0倍。這是由于音叉結(jié)構(gòu)中雙臂之間的諧振振動耦合作用導(dǎo)致的。

為了研究壓電復(fù)合音叉式電流傳感器的負(fù)載特性,我們保持輸入電流大小為1.0 A并測量壓電懸臂梁式、壓電復(fù)合音叉式電流傳感器諧振輸出總電壓與負(fù)載阻值的關(guān)系,如圖4所示。從該圖中可知,隨之負(fù)載阻抗的增加,壓電懸臂梁式、壓電復(fù)合音叉式電流傳感器的諧振輸出電壓先急劇增大再緩慢增加。當(dāng)負(fù)載阻值=0.5 MΩ、1.0 MΩ、2.0 MΩ、5.0 MΩ時,壓電復(fù)合音叉式電流傳感器的諧振輸出電壓分別為0.483 V、0.744 V、1.155 V、1.296 V,分別是壓電懸臂梁式電流傳感器諧振輸出電壓的2.45倍、2.77倍、3.49倍、3.69倍。由此可見,壓電懸臂梁式電流傳感器具有更強(qiáng)的負(fù)載能力。

圖4 壓電懸臂梁與壓電復(fù)合音叉式電流傳感器諧振輸出總電壓與負(fù)載阻值關(guān)系曲線

為了進(jìn)一步地考察壓電復(fù)合音叉式電流傳感器的線性度特性,我們測量了當(dāng)輸入電流大小在0.005 A～3.0 A范圍內(nèi)變化且負(fù)載電阻為10 MΩ時傳感器的諧振輸出總電壓。如圖5所示,在0.005 A～3.0 A的輸入電流變化范圍內(nèi),壓電復(fù)合音叉式電流傳感器的諧振輸出電壓從0.007 V到4.20 V變化,平均靈敏度為1.393 V/A,線性度約為0.57%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該壓電復(fù)合音叉式電流傳感器具有高的靈敏度和良好的線性度。

5 結(jié)語

本文提出一種高靈敏度、低頻的壓電復(fù)合音叉式電流傳感器,其主要由壓電片、彈性音叉和永磁鐵組成。由于壓電片具有高機(jī)電耦合系數(shù)、高電壓輸出且機(jī)械音叉的高Q值特性有效地減少了磁-機(jī)-電轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗,因此提出的壓電復(fù)合音叉式電流傳感器在諧振態(tài)具有較高的靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓電復(fù)合音叉式電流傳感器:①與壓電復(fù)合懸臂梁式電流傳感器相比,具有高達(dá)4.0倍的靈敏度,在負(fù)載電阻為10 MΩ、頻率為41.7 Hz時,靈敏度可達(dá)1.393 V/A;②具有良好的線性度,約為0.57%。此外,該傳感器結(jié)構(gòu)組成簡單、安裝方便,只需把組件粘合即可。壓電復(fù)合音叉式電流傳感器在微弱電流/振動/磁場探測、磁場能量采集領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

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