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.江西電力職業技術學院,南昌 330032;2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院,南昌 330096;3.西南交通大學機械工程學院,成都 610031;4.許繼集團有限公司)

漏電流測量已經成為各類用電設備安全保護、預警、動作最為重要的內容之一。最近幾十年,一些研究報導了多種電流測量傳感結構[1-16],而傳統電流測量設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的電流測量設備,常用于電氣保護和測量。但是存在問題:當一次信號較大導致磁芯飽和時,二次信號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,然而當電流小于幾十安培時,其輸出信號太小(幾個毫安)以至于受到環境噪聲的干擾[2]。因此,羅氏線圈并不適合應用于小電流測量。

此外,磁電復合結構已經用于磁場的傳感、換能及能量采集[3-6]。研究者設計幾種新奇的磁電結構用于電流測量[7-9]。Dong等提出了一種周向磁化和周向極化的磁電復合結構,該結構在諧振頻率處有較大的磁場靈敏度260 mV/Oe。Leung等設計了一種環形磁電電流傳感器,具有0.01 A～20 A的測量動態范圍[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構結合的方式來進行電流傳感。Leland等設計了一種用來監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,研究者開發了一種采用壓電復合音叉的電流傳感器[16],因其內含獨特的壓電復合音叉結構而具有較高的諧振靈敏度。雖然這類結構具有較高的工作靈敏度,但是當輸入電流較大時,傳感器容易產生明顯的非線性現象,即在較大的電流動態范圍內線性度不佳。此外,這類單端固定的結構在長時間工作后容易發生變形,造成傳感的不穩定,即時間穩定性不好。一些特殊的應用,諸如工業不斷電、電信通信系統及電池監控,都需要大動態范圍、高靈敏度的電流測量。但是之前的研究很難同時滿足這些要求。

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通電導線中的電流變化,并轉換為振動信號傳遞給壓電矩形鼓;壓電矩形鼓利用正壓電效應將振動信號轉換為電壓信號輸出,實現電流—振動—電壓的變換。永磁體具有較大的剩磁,因而振動響應較強;而壓電矩形鼓不僅具有較高的壓電轉換系數,還因采用兩端固定方式而具有極強的抗疲勞性和長期工作穩定性。因此,文中提出的小型電流傳感器具有較大動態范圍內較高的靈敏度和較好的長期穩定性。

1 傳感器結構及其工作原理

1.1 傳感器結構

如圖1(a)所示,本文提出的小型電流傳感器結構由壓電矩形鼓、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計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力集中增強。此外,永磁鐵的相吸設置增強了壓電矩形鼓受到的初始應力,即施加了一個應力預偏置,因而增大了壓電矩形鼓的電壓輸出。

圖1 傳感器結構示意圖和實驗裝置圖

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。根據安培定律和牛頓第三定律,當通電導線置于永磁鐵附近靜磁場中時,根據安培定律通電導線將受到安培力的作用。若將導線固定,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。當電流變化時,該永磁鐵受到的安培力反作用力也隨之變化,從而產生與電流同頻的振動。這種振動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,因此振動引起壓電片的形變。由于正壓電效應,壓電片在xy平面內的上下兩電極面產生異種電荷。用銀線引出兩面電荷到負載電阻上,從而形成電壓輸出。由于安培力大小和電流大小成正比,振動的強弱和安培力大小成正比,電壓輸出和振動強弱也成正比;因此,壓電矩形鼓的輸出電壓Vo與輸入電流Ii存在一一對應關系?？傊?可以通過測量傳感器輸出電壓來監測通電電流的大小,即可實現電流傳感。

2 傳感器振動模態及其電流靈敏度頻率響應分析

文中采用多物理場耦合軟件comsol Multiphysics 3.5內“structural mechanics module”模塊分析了傳感器的固有振動模態及其電流靈敏度頻率響應曲線。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

2.1 振動模態分析

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

圖3 傳感器一階固有模態

2.2 傳感器靈敏度-頻率響應分析

利用comsol Multiphysics 3.5的參數掃描功能,得到了傳感器的電流靈敏度頻率響應曲線,如圖4所示。仿真中施加給傳感器的正弦激勵等于輸入電流為2 A時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曲線在一階固有頻率f=206.8 Hz處,有一個尖峰,其峰值為1 240 mV/A,這表明該傳感器結構具有高的品質因數,在諧振處有較高的靈敏度。

3 實驗結果及分析

如圖1(b)所示,實驗系統由輸入電流發生系統和輸出電壓測量系統兩部分組成。前者由信號發生器、功率放大器和監測電阻組成。信號發生器產生頻率可調的正弦電壓信號,該信號經功率放大器放大后流過監測電阻形成回路。因而,可通過改變信號源輸出電壓的頻率和幅值來改變通電導線中的電流。輸出電壓測量系統由傳感器、負載電阻和示波器組成,傳感器的輸出電壓由示波器測量負載電阻兩端電壓而得。

傳感器樣品的結構尺寸和材料性能參數分別見表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曲線、傳感器負載特性曲線、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且負載電阻Rload=10 MΩ(開路)時,傳感器電流靈敏度頻率響應曲線如圖5所示。從圖5中可得,實驗測得的電流靈敏度S(S=dVo/dIi)在頻率f=204 Hz時達到最大值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、靈敏度的實驗值與理論值相對誤差分別為1.4%、23%。這些誤差的產生主要是因為仿真時忽略了用于粘合傳感器內部各組件的膠層。在實驗過程中,膠層類似阻尼會消耗振動能量,從而降低傳感器的電壓輸出。另外,電流靈敏度頻率響應曲線在500 Hz附近出現了第二個峰,峰值為190 mV/A,這是由傳感器的二階模態引起的。由此,進一步的研究可設計多模態結構,實現多模態多頻率的電流傳感。

圖5 實驗測得的電流靈敏度頻率響應曲線

在輸入電流動態變化范圍為0.005 A～30 A、頻率為204 Hz且負載電阻Rload=10 MΩ時,實驗測得的傳感器輸出-輸入特性(Vo～Ii)曲線如圖6所示。從圖7中可以看出,Vo～Ii曲線的斜率幾乎無變化,這表明電流傳感器在動態范圍0.005 A～30 A內具有良好的線性度。進一步通過擬合與計算可得,Vo～Ii曲線的線性度為0.3%。

圖6 實驗測得的傳感器輸出-輸入特性曲線

為了觀察電流傳感器輸出的時間穩定性,實驗測試了傳感器輸出電壓隨時間變化的曲線。實驗中設置輸入電流大小為1 A、頻率為204 Hz,測試時間長度為50 min、時間間隔為30 s。實驗結果如圖7所示,在50 min的測試時間內,傳感器輸出電壓在(0.948 V,0.952 V)區間內波動,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間穩定性。

圖7 實驗測得輸出電壓隨時間變化曲線

4 結論

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、高壓電系數的壓電片、應力集中的倒梯形連接體設計,該電流傳感器具有較高的靈敏度;因采用兩端固支設計,該電流傳感器具有良好的測量穩定性。文中利用有限元分析方法研究了傳感器的振動模態以及一階模態下的位移及應力分布,預測了傳感器的一階固有頻率及電流靈敏度頻率響應特性。實驗測量了電流傳感器的電流靈敏度頻率響應曲線、負載特性曲線、輸出-輸入特性曲線。實驗結果表明,提出的電流傳感器具有較大的測量動態范圍(0.005 A～30 A)、較高的靈敏度(0.95 V/A)和良好的線性度(0.3%),可應用于較大動態范圍內電流、磁場的測量及監測。進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。