一種采用壓電矩形鼓和永磁鐵的小型電流傳感器研究*

寧艷花,楊愛超,魯彩江,趙江信,朱 亮,吳 宇,李 敏,裴茂林,范亞軍,熊 茹

(1.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南昌 330032;2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南昌 330096;3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031;4.許繼集團(tuán)有限公司)

漏電流測量已經(jīng)成為各類用電設(shè)備安全保護(hù)、預(yù)警、動(dòng)作最為重要的內(nèi)容之一。最近幾十年,一些研究報(bào)導(dǎo)了多種電流測量傳感結(jié)構(gòu)[1-16],而傳統(tǒng)電流測量設(shè)備主要有電磁式電流互感器、羅氏線圈等。其中,電磁式電流互感器作為一種傳統(tǒng)的電流測量設(shè)備,常用于電氣保護(hù)和測量。但是存在問題:當(dāng)一次信號(hào)較大導(dǎo)致磁芯飽和時(shí),二次信號(hào)失真從而引起操作失誤[1]。羅氏線圈最早從1912年開始被用作電流傳感,本身是一種無鐵芯的單向繞線圈。羅氏線圈常用于測量大電流,然而當(dāng)電流小于幾十安培時(shí),其輸出信號(hào)太小(幾個(gè)毫安)以至于受到環(huán)境噪聲的干擾[2]。因此,羅氏線圈并不適合應(yīng)用于小電流測量。

此外,磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于磁場的傳感、換能及能量采集[3-6]。研究者設(shè)計(jì)幾種新奇的磁電結(jié)構(gòu)用于電流測量[7-9]。Dong等提出了一種周向磁化和周向極化的磁電復(fù)合結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在諧振頻率處有較大的磁場靈敏度260 mV/Oe。Leung等設(shè)計(jì)了一種環(huán)形磁電電流傳感器,具有0.01 A～20 A的測量動(dòng)態(tài)范圍[10],但是這類磁電電流傳感器的靈敏度不高,特別在低頻,只有幾十mV/A。另一類方案是采用永磁鐵和壓電結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式來進(jìn)行電流傳感。Leland等設(shè)計(jì)了一種用來監(jiān)測家用和商用的雙芯電線電流,由一種MEMS壓電懸臂梁和固定在懸臂梁自由端的永磁鐵組成[11,12,14]。近期,研究者開發(fā)了一種采用壓電復(fù)合音叉的電流傳感器[16],因其內(nèi)含獨(dú)特的壓電復(fù)合音叉結(jié)構(gòu)而具有較高的諧振靈敏度。雖然這類結(jié)構(gòu)具有較高的工作靈敏度,但是當(dāng)輸入電流較大時(shí),傳感器容易產(chǎn)生明顯的非線性現(xiàn)象,即在較大的電流動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性度不佳。此外,這類單端固定的結(jié)構(gòu)在長時(shí)間工作后容易發(fā)生變形,造成傳感的不穩(wěn)定,即時(shí)間穩(wěn)定性不好。一些特殊的應(yīng)用,諸如工業(yè)不斷電、電信通信系統(tǒng)及電池監(jiān)控,都需要大動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度的電流測量。但是之前的研究很難同時(shí)滿足這些要求。

本文提出了一種采用壓電矩形鼓與永磁鐵組合的小型電流傳感器。永磁鐵在安培力反作用力作用下非接觸響應(yīng)通電導(dǎo)線中的電流變化,并轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)傳遞給壓電矩形鼓;壓電矩形鼓利用正壓電效應(yīng)將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)電流—振動(dòng)—電壓的變換。永磁體具有較大的剩磁,因而振動(dòng)響應(yīng)較強(qiáng);而壓電矩形鼓不僅具有較高的壓電轉(zhuǎn)換系數(shù),還因采用兩端固定方式而具有極強(qiáng)的抗疲勞性和長期工作穩(wěn)定性。因此,文中提出的小型電流傳感器具有較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)較高的靈敏度和較好的長期穩(wěn)定性。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

如圖1(a)所示,本文提出的小型電流傳感器結(jié)構(gòu)由壓電矩形鼓、一對永磁鐵、若干支撐體和底座組成。壓電矩形鼓由連接體、矩形彈性金屬片和壓電片組成。其中,兩片彈性金屬片由兩塊剛性連接體在其兩端固定連接而成,而壓電片則粘合在一片金屬片之上。永磁鐵和壓電矩形鼓之間通過倒梯形的支撐體粘合連接在一起。這種支撐體的倒梯形設(shè)計(jì)因其兩底面間面積差異,使得永磁鐵作用在壓電矩形鼓上的應(yīng)力集中增強(qiáng)。此外,永磁鐵的相吸設(shè)置增強(qiáng)了壓電矩形鼓受到的初始應(yīng)力,即施加了一個(gè)應(yīng)力預(yù)偏置,因而增大了壓電矩形鼓的電壓輸出。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 工作原理示意圖

1.2 傳感器工作原理

傳感器的工作原理,如圖2所示。根據(jù)安培定律和牛頓第三定律,當(dāng)通電導(dǎo)線置于永磁鐵附近靜磁場中時(shí),根據(jù)安培定律通電導(dǎo)線將受到安培力的作用。若將導(dǎo)線固定,而永磁鐵自由放置,則永磁鐵將受到安培力反作用力的作用。當(dāng)電流變化時(shí),該永磁鐵受到的安培力反作用力也隨之變化,從而產(chǎn)生與電流同頻的振動(dòng)。這種振動(dòng)通過支撐體傳遞到壓電矩形鼓。由于壓電矩形鼓的底部固定,因此振動(dòng)引起壓電片的形變。由于正壓電效應(yīng),壓電片在xy平面內(nèi)的上下兩電極面產(chǎn)生異種電荷。用銀線引出兩面電荷到負(fù)載電阻上,從而形成電壓輸出。由于安培力大小和電流大小成正比,振動(dòng)的強(qiáng)弱和安培力大小成正比,電壓輸出和振動(dòng)強(qiáng)弱也成正比;因此,壓電矩形鼓的輸出電壓Vo與輸入電流Ii存在一一對應(yīng)關(guān)系?？傊?可以通過測量傳感器輸出電壓來監(jiān)測通電電流的大小,即可實(shí)現(xiàn)電流傳感。

2 傳感器振動(dòng)模態(tài)及其電流靈敏度頻率響應(yīng)分析

文中采用多物理場耦合軟件comsol Multiphysics 3.5內(nèi)“structural mechanics module”模塊分析了傳感器的固有振動(dòng)模態(tài)及其電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線。仿真分析中傳感器各組成部分尺寸及所用材料性能參數(shù)分別見表1、表2。

表1 傳感器各部分尺寸及材料

表2 材料性能參數(shù)

2.1 振動(dòng)模態(tài)分析

通過軟件仿真得到了傳感器的固有振動(dòng)模態(tài)及其諧振頻率。由于傳感器結(jié)構(gòu)的能量主要集中在一階固有頻率,因此文中主要關(guān)注一階固有振動(dòng)模態(tài)。按照表1、2中的尺寸及參數(shù)進(jìn)行配置,仿真得到的一階固有頻率為206.8 Hz?？紤]永磁鐵在電流2 A時(shí)受到的安培力反作用力約為1.2 N,因此仿真時(shí)給永磁鐵施加一個(gè)沿z軸方向的1.2 N的簡諧力。傳感器在一階固有頻率時(shí)的振動(dòng)模態(tài)(振動(dòng)位移及應(yīng)力分布)如圖3所示。從該圖3中可看出,在206.8Hz處,傳感器內(nèi)永磁鐵最大位移達(dá)到14 μm,而壓電片內(nèi)平均應(yīng)力達(dá)到2 000 Pa。

圖3 傳感器一階固有模態(tài)

2.2 傳感器靈敏度-頻率響應(yīng)分析

利用comsol Multiphysics 3.5的參數(shù)掃描功能,得到了傳感器的電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線,如圖4所示。仿真中施加給傳感器的正弦激勵(lì)等于輸入電流為2 A時(shí)傳感器受到的安培力反作用力大小,頻率掃描范圍是0～400 Hz。并將傳感器的輸出電壓除以輸入電流,從而得到仿真的電流靈敏度。

圖4 仿真得到的電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線

從圖4中可以很明顯地看到傳感器電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線在一階固有頻率f=206.8 Hz處,有一個(gè)尖峰,其峰值為1 240 mV/A,這表明該傳感器結(jié)構(gòu)具有高的品質(zhì)因數(shù),在諧振處有較高的靈敏度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖1(b)所示,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由輸入電流發(fā)生系統(tǒng)和輸出電壓測量系統(tǒng)兩部分組成。前者由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和監(jiān)測電阻組成。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后流過監(jiān)測電阻形成回路。因而,可通過改變信號(hào)源輸出電壓的頻率和幅值來改變通電導(dǎo)線中的電流。輸出電壓測量系統(tǒng)由傳感器、負(fù)載電阻和示波器組成,傳感器的輸出電壓由示波器測量負(fù)載電阻兩端電壓而得。

傳感器樣品的結(jié)構(gòu)尺寸和材料性能參數(shù)分別見表1和表2。為了考察傳感器的重要性能,測量了傳感器電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線、傳感器負(fù)載特性曲線、傳感器輸出-輸入特性曲線。

在輸入電流大小為2 A、頻率變化范圍為0～800 Hz且負(fù)載電阻Rload=10 MΩ(開路)時(shí),傳感器電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。從圖5中可得,實(shí)驗(yàn)測得的電流靈敏度S(S=dVo/dIi)在頻率f=204 Hz時(shí)達(dá)到最大值950 mV/A,與理論值(206.8 Hz,1240 mV/A)稍有偏差。傳感器的諧振頻率、靈敏度的實(shí)驗(yàn)值與理論值相對誤差分別為1.4%、23%。這些誤差的產(chǎn)生主要是因?yàn)榉抡鏁r(shí)忽略了用于粘合傳感器內(nèi)部各組件的膠層。在實(shí)驗(yàn)過程中,膠層類似阻尼會(huì)消耗振動(dòng)能量,從而降低傳感器的電壓輸出。另外,電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線在500 Hz附近出現(xiàn)了第二個(gè)峰,峰值為190 mV/A,這是由傳感器的二階模態(tài)引起的。由此,進(jìn)一步的研究可設(shè)計(jì)多模態(tài)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)多模態(tài)多頻率的電流傳感。

圖5 實(shí)驗(yàn)測得的電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線

在輸入電流動(dòng)態(tài)變化范圍為0.005 A～30 A、頻率為204 Hz且負(fù)載電阻Rload=10 MΩ時(shí),實(shí)驗(yàn)測得的傳感器輸出-輸入特性(Vo～I(xiàn)i)曲線如圖6所示。從圖7中可以看出,Vo～I(xiàn)i曲線的斜率幾乎無變化,這表明電流傳感器在動(dòng)態(tài)范圍0.005 A～30 A內(nèi)具有良好的線性度。進(jìn)一步通過擬合與計(jì)算可得,Vo～I(xiàn)i曲線的線性度為0.3%。

圖6 實(shí)驗(yàn)測得的傳感器輸出-輸入特性曲線

為了觀察電流傳感器輸出的時(shí)間穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)測試了傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化的曲線。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置輸入電流大小為1 A、頻率為204 Hz,測試時(shí)間長度為50 min、時(shí)間間隔為30 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,在50 min的測試時(shí)間內(nèi),傳感器輸出電壓在(0.948 V,0.952 V)區(qū)間內(nèi)波動(dòng),電壓變化值為0.004 V,相對變化量約為0.42%,可見傳感器具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。

圖7 實(shí)驗(yàn)測得輸出電壓隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種采用壓電矩形鼓與永磁鐵的小型電流傳感器。因采用較大剩磁的永磁鐵、高壓電系數(shù)的壓電片、應(yīng)力集中的倒梯形連接體設(shè)計(jì),該電流傳感器具有較高的靈敏度;因采用兩端固支設(shè)計(jì),該電流傳感器具有良好的測量穩(wěn)定性。文中利用有限元分析方法研究了傳感器的振動(dòng)模態(tài)以及一階模態(tài)下的位移及應(yīng)力分布,預(yù)測了傳感器的一階固有頻率及電流靈敏度頻率響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)測量了電流傳感器的電流靈敏度頻率響應(yīng)曲線、負(fù)載特性曲線、輸出-輸入特性曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的電流傳感器具有較大的測量動(dòng)態(tài)范圍(0.005 A～30 A)、較高的靈敏度(0.95 V/A)和良好的線性度(0.3%),可應(yīng)用于較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)電流、磁場的測量及監(jiān)測。進(jìn)一步的研究在于拓展電流傳感器的工作頻帶,使其有更好的頻率特性。