一种采用压电矩形鼓和永磁铁的小型电流传感器研究*

宁艳花,杨爱超,鲁彩江,赵江信,朱 亮,吴 宇,李 敏,裴茂林,范亚军,熊 茹

(1.江西电力职业技术学院,南昌 330032;2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院,南昌 330096;3.西南交通大学机械工程学院,成都 610031;4.许继集团有限公司)

漏电流测量已经成为各类用电设备安全保护、预警、动作最为重要的内容之一。最近几十年,一些研究报导了多种电流测量传感结构[1-16],而传统电流测量设备主要有电磁式电流互感器、罗氏线圈等。其中,电磁式电流互感器作为一种传统的电流测量设备,常用于电气保护和测量。但是存在问题:当一次信号较大导致磁芯饱和时,二次信号失真从而引起操作失误[1]。罗氏线圈最早从1912年开始被用作电流传感,本身是一种无铁芯的单向绕线圈。罗氏线圈常用于测量大电流,然而当电流小于几十安培时,其输出信号太小(几个毫安)以至于受到环境噪声的干扰[2]。因此,罗氏线圈并不适合应用于小电流测量。

此外,磁电复合结构已经用于磁场的传感、换能及能量采集[3-6]。研究者设计几种新奇的磁电结构用于电流测量[7-9]。Dong等提出了一种周向磁化和周向极化的磁电复合结构,该结构在谐振频率处有较大的磁场灵敏度260 mV/Oe。Leung等设计了一种环形磁电电流传感器,具有0.01 A～20 A的测量动态范围[10],但是这类磁电电流传感器的灵敏度不高,特别在低频,只有几十mV/A。另一类方案是采用永磁铁和压电结构结合的方式来进行电流传感。Leland等设计了一种用来监测家用和商用的双芯电线电流,由一种MEMS压电悬臂梁和固定在悬臂梁自由端的永磁铁组成[11,12,14]。近期,研究者开发了一种采用压电复合音叉的电流传感器[16],因其内含独特的压电复合音叉结构而具有较高的谐振灵敏度。虽然这类结构具有较高的工作灵敏度,但是当输入电流较大时,传感器容易产生明显的非线性现象,即在较大的电流动态范围内线性度不佳。此外,这类单端固定的结构在长时间工作后容易发生变形,造成传感的不稳定,即时间稳定性不好。一些特殊的应用,诸如工业不断电、电信通信系统及电池监控,都需要大动态范围、高灵敏度的电流测量。但是之前的研究很难同时满足这些要求。

本文提出了一种采用压电矩形鼓与永磁铁组合的小型电流传感器。永磁铁在安培力反作用力作用下非接触响应通电导线中的电流变化,并转换为振动信号传递给压电矩形鼓;压电矩形鼓利用正压电效应将振动信号转换为电压信号输出,实现电流—振动—电压的变换。永磁体具有较大的剩磁,因而振动响应较强;而压电矩形鼓不仅具有较高的压电转换系数,还因采用两端固定方式而具有极强的抗疲劳性和长期工作稳定性。因此,文中提出的小型电流传感器具有较大动态范围内较高的灵敏度和较好的长期稳定性。

1 传感器结构及其工作原理

1.1 传感器结构

如图1(a)所示,本文提出的小型电流传感器结构由压电矩形鼓、一对永磁铁、若干支撑体和底座组成。压电矩形鼓由连接体、矩形弹性金属片和压电片组成。其中,两片弹性金属片由两块刚性连接体在其两端固定连接而成,而压电片则粘合在一片金属片之上。永磁铁和压电矩形鼓之间通过倒梯形的支撑体粘合连接在一起。这种支撑体的倒梯形设计因其两底面间面积差异,使得永磁铁作用在压电矩形鼓上的应力集中增强。此外,永磁铁的相吸设置增强了压电矩形鼓受到的初始应力,即施加了一个应力预偏置,因而增大了压电矩形鼓的电压输出。

图1 传感器结构示意图和实验装置图

图2 工作原理示意图

1.2 传感器工作原理

传感器的工作原理,如图2所示。根据安培定律和牛顿第三定律,当通电导线置于永磁铁附近静磁场中时,根据安培定律通电导线将受到安培力的作用。若将导线固定,而永磁铁自由放置,则永磁铁将受到安培力反作用力的作用。当电流变化时,该永磁铁受到的安培力反作用力也随之变化,从而产生与电流同频的振动。这种振动通过支撑体传递到压电矩形鼓。由于压电矩形鼓的底部固定,因此振动引起压电片的形变。由于正压电效应,压电片在xy平面内的上下两电极面产生异种电荷。用银线引出两面电荷到负载电阻上,从而形成电压输出。由于安培力大小和电流大小成正比,振动的强弱和安培力大小成正比,电压输出和振动强弱也成正比;因此,压电矩形鼓的输出电压Vo与输入电流Ii存在一一对应关系。总之,可以通过测量传感器输出电压来监测通电电流的大小,即可实现电流传感。

2 传感器振动模态及其电流灵敏度频率响应分析

文中采用多物理场耦合软件comsol Multiphysics 3.5内“structural mechanics module”模块分析了传感器的固有振动模态及其电流灵敏度频率响应曲线。仿真分析中传感器各组成部分尺寸及所用材料性能参数分别见表1、表2。

表1 传感器各部分尺寸及材料

表2 材料性能参数

2.1 振动模态分析

通过软件仿真得到了传感器的固有振动模态及其谐振频率。由于传感器结构的能量主要集中在一阶固有频率,因此文中主要关注一阶固有振动模态。按照表1、2中的尺寸及参数进行配置,仿真得到的一阶固有频率为206.8 Hz。考虑永磁铁在电流2 A时受到的安培力反作用力约为1.2 N,因此仿真时给永磁铁施加一个沿z轴方向的1.2 N的简谐力。传感器在一阶固有频率时的振动模态(振动位移及应力分布)如图3所示。从该图3中可看出,在206.8Hz处,传感器内永磁铁最大位移达到14 μm,而压电片内平均应力达到2 000 Pa。

图3 传感器一阶固有模态

2.2 传感器灵敏度-频率响应分析

利用comsol Multiphysics 3.5的参数扫描功能,得到了传感器的电流灵敏度频率响应曲线,如图4所示。仿真中施加给传感器的正弦激励等于输入电流为2 A时传感器受到的安培力反作用力大小,频率扫描范围是0～400 Hz。并将传感器的输出电压除以输入电流,从而得到仿真的电流灵敏度。

图4 仿真得到的电流灵敏度频率响应曲线

从图4中可以很明显地看到传感器电流灵敏度频率响应曲线在一阶固有频率f=206.8 Hz处,有一个尖峰,其峰值为1 240 mV/A,这表明该传感器结构具有高的品质因数,在谐振处有较高的灵敏度。

3 实验结果及分析

如图1(b)所示,实验系统由输入电流发生系统和输出电压测量系统两部分组成。前者由信号发生器、功率放大器和监测电阻组成。信号发生器产生频率可调的正弦电压信号,该信号经功率放大器放大后流过监测电阻形成回路。因而,可通过改变信号源输出电压的频率和幅值来改变通电导线中的电流。输出电压测量系统由传感器、负载电阻和示波器组成,传感器的输出电压由示波器测量负载电阻两端电压而得。

传感器样品的结构尺寸和材料性能参数分别见表1和表2。为了考察传感器的重要性能,测量了传感器电流灵敏度频率响应曲线、传感器负载特性曲线、传感器输出-输入特性曲线。

在输入电流大小为2 A、频率变化范围为0～800 Hz且负载电阻Rload=10 MΩ(开路)时,传感器电流灵敏度频率响应曲线如图5所示。从图5中可得,实验测得的电流灵敏度S(S=dVo/dIi)在频率f=204 Hz时达到最大值950 mV/A,与理论值(206.8 Hz,1240 mV/A)稍有偏差。传感器的谐振频率、灵敏度的实验值与理论值相对误差分别为1.4%、23%。这些误差的产生主要是因为仿真时忽略了用于粘合传感器内部各组件的胶层。在实验过程中,胶层类似阻尼会消耗振动能量,从而降低传感器的电压输出。另外,电流灵敏度频率响应曲线在500 Hz附近出现了第二个峰,峰值为190 mV/A,这是由传感器的二阶模态引起的。由此,进一步的研究可设计多模态结构,实现多模态多频率的电流传感。

图5 实验测得的电流灵敏度频率响应曲线

在输入电流动态变化范围为0.005 A～30 A、频率为204 Hz且负载电阻Rload=10 MΩ时,实验测得的传感器输出-输入特性(Vo～Ii)曲线如图6所示。从图7中可以看出,Vo～Ii曲线的斜率几乎无变化,这表明电流传感器在动态范围0.005 A～30 A内具有良好的线性度。进一步通过拟合与计算可得,Vo～Ii曲线的线性度为0.3%。

图6 实验测得的传感器输出-输入特性曲线

为了观察电流传感器输出的时间稳定性,实验测试了传感器输出电压随时间变化的曲线。实验中设置输入电流大小为1 A、频率为204 Hz,测试时间长度为50 min、时间间隔为30 s。实验结果如图7所示,在50 min的测试时间内,传感器输出电压在(0.948 V,0.952 V)区间内波动,电压变化值为0.004 V,相对变化量约为0.42%,可见传感器具有较好的时间稳定性。

图7 实验测得输出电压随时间变化曲线

4 结论

本文提出了一种采用压电矩形鼓与永磁铁的小型电流传感器。因采用较大剩磁的永磁铁、高压电系数的压电片、应力集中的倒梯形连接体设计,该电流传感器具有较高的灵敏度;因采用两端固支设计,该电流传感器具有良好的测量稳定性。文中利用有限元分析方法研究了传感器的振动模态以及一阶模态下的位移及应力分布,预测了传感器的一阶固有频率及电流灵敏度频率响应特性。实验测量了电流传感器的电流灵敏度频率响应曲线、负载特性曲线、输出-输入特性曲线。实验结果表明,提出的电流传感器具有较大的测量动态范围(0.005 A～30 A)、较高的灵敏度(0.95 V/A)和良好的线性度(0.3%),可应用于较大动态范围内电流、磁场的测量及监测。进一步的研究在于拓展电流传感器的工作频带,使其有更好的频率特性。