CN101369484A - 非接触式电流/电压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非接触式电流/电压转换器，包括复合磁电材料(1)，偏置磁铁(3)，为屏蔽壳(4)，接地电极(5)，电压输入输出电极(6)，属于电工器件领域，其中，复合磁电材料是由磁致伸缩材料－压电材料－磁致伸缩材料组成空间层状三明治结构；偏置磁铁采用一块磁铁在一端提供偏置磁场或两块左右对称分布提供较均匀偏置磁场；屏蔽壳包裹复合磁电材料；屏蔽壳与总地线相接。该器件通过复合磁电材料的磁电、反磁电效应，以及法拉第电磁感应效应，实现电压－磁场强度－电流之间的双向转换。该器件与传统的基于电子电路的电流电压转换器相比，具有无源，双向可逆，被动式，响应速度快，安全，绝缘，设计简单，成本低，与其它器件兼容性好等诸多优点。

Description

非接触式电流/电压转换器

技术领域

本发明涉及一种利用压电材料与磁致伸缩材料组成复合磁电材料的磁电、反磁电效应而制备的非接触式电流/电压变转换器，属于电工器件领域。

背景技术

电流电压变换器是传感器的一个重要分支，是一种伴随微电子技术在工业自动化，电力网监控等领域的广泛应用而发展的新型元件。电压-电流变换器和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有实用价值的电子电路。

目前的电流电压变换器大多采用运算放大器来制作，需要耗电，同时，成本很高(例如，日本日志公司的制作很简单的电流/电压转换器9018-10售价在60元人民币以上)。

在非接触式探测领域，例如电力网监控以及雷电监控等应用领域，对电流电压转换器具有安全，绝缘，响应速度快，设计简单，能耗低等诸多要求。

这种新型电流电压转换器不论用于接触式探测还是非接触式探测，都有很好的性能表现，是一种具有广泛应用前景的新型电子器件。

发明内容

电压电流转换是工业和电子领域大量使用的技术手段。现在通用的电压电流转换设备都是用半导体器件设计和制造的。其特点是功能强大，原理系统化，设计技术成熟；其缺点是结构复杂，成本高，体积大，对大电流大电压转换需要很好的散热性能。针对以上缺点，设计功能专一，结构简单，低成本，小体积，释放热量小的电流电压转换器，有重要的意义。

本发明涉及用压电材料与磁致伸缩材料组成的复合磁电材料结合金属线圈和导线实现电流电压之间双向转换的新型器件。

多层片状压电材料和磁致伸缩材料层叠制备的高性能复合磁电材料，具有磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料空间层状结构，结构示意图见图1，其中1为磁致伸缩材料，2为压电材料，3为磁致伸缩材料，4为输出电极。三层材料之间用导电胶粘接，实现机械耦合。三层材料的厚度比例优化为1：0.5～0.8：1，优选值为1：0.65～0.75：1。压电材料略长于磁致伸缩材料，从压电材料长出部分的上下表面引出电极。制备完成后，测试其磁电系数随着直流偏置磁场的变化，得到最优偏置磁场强度，例如磁致伸缩材料Terfenol-D合金一般最优偏置磁场强度为350Oe附近。

复合磁电材料中实现电弹转换功能的压电材料可以采用当前压电性能最好的铌镁酸铅—钛酸铅单晶材料，其化学组成为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃，其中x为摩尔分数。用来制备新型电流/电压转换器的最优组分为0.24≤x≤0.34，最优晶体学方向为<001>和<110>方向。其压电常数d₃₃高达2000pC/N以上，机电耦合系数k₃₃高达90％以上。

磁电复合材料具有优异的磁电和反磁电效应。通过压电材料和磁致伸缩材料间的磁-弹-电耦合，实现磁场强度—电压之间双向转换的功能。

非接触式直导线与磁电复合材料有限距离相互垂直的方式，是将直导线在有限距离远处与条状复合磁电材料保持垂直状态。结构示意见图6，其中1为复合磁电材料，2为被测直导线，同时也为电流输入输出电极，3为偏置磁铁，4为屏蔽壳，5为接地电极，6为电压输入输出电极。

直导线与磁电复合材料有限距离相互垂直排布；偏置磁铁可采用一块磁铁在一端提供偏置磁场，也可采用两块左右对称分布提供较均匀偏置磁场，后者效果更佳；屏蔽壳包裹复合磁电材料，起到屏蔽效果，必须使用铜质或铝质等非铁磁性材料制备；屏蔽壳与电流—电压转换器的总地线相接。

根据电磁感应定律，当复合磁电材料在输入电压的驱动下，改变材料所在空间的磁场强度，距离复合磁电材料有限远距离处的直导线上感应出感生电动势，从而在直导线输出端输出电流，实现电压—磁场强度—电流转换功能。当直导线中的电流大小改变时，直导线周围的感生磁场强度相应的改变，感生磁场作用在复合磁电材料上，导致复合磁电材料电压输出改变，实现电流—磁场强度—电压转换功能。

该新型电压—电流转换器的转换系数可以根据实际应用而更改，采用接触式线圈环绕复合磁电材料的方式，通过调节线圈的匝数，等比例改变电压—电流转换系数，例如线圈匝数为20,100KHz，电流—电压转换系数为1.257V/A；线圈匝数为10,100KHz，电流—电压转换系数为0.631V/A，可见转换系数与线圈匝数成很好的线性比例关系。

附图说明

图1出示了复合磁电材料的结构示意图。1为磁致伸缩材料，2为压电材料，3为磁致伸缩材料，4为输出电极。

图2出示了复合磁电材料磁电系数随着直流偏置磁场的变化曲线。

图3出示了复合磁电材料磁电输出随着所加交变磁场频率的变化曲线。

图4出示了复合磁电材料逆磁电系数随着直流偏置磁场的变化曲线。

图5出示了非接触式电流-电压双向转换器的结构示意图，1为复合磁电材料，其中复合磁电材料是由磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料组成的复合三明治结构，2为直导线，同时也为电流输入输出电极，3为偏置磁铁，4为屏蔽壳，5为接地电极，6为电压输入输出电极。

图6出示了接触式电流-电压双向转换器在350 Oe偏置磁场下，不同频率下，I转换成V的曲线图。

图7出示了接触式电流-电压双向转换器在350 Oe偏置磁场下，不同频率下，V转换成I的曲线图。

图8出示了非接触式电流-电压双向转换器在350 Oe偏置磁场下，不同频率下，I转换成V的曲线图。

具体实施方式

实施例

选择用改进的Bridgm an方法生长的<001>或<110>取向、组分为0.20≤x≤0.34的(1-x)PMN-xPT晶体，作为制作复合磁电材料的压电材料。磁电复合材料采用Terfenol-D合金和PMN-PT单晶。压电层的尺寸，14×2×1mm³，Terfenol-D尺寸12×2×1mm³。压电材料略长于磁致伸缩材料，从压电材料长出部分的上下表面引出电极。由于压电材料较长，电极会露出来很多，所以粘接的时候采用环氧树脂。制备好样品后，测试其磁电系数随着直流偏置磁场的变化如图2所示，最优偏置磁场约为350 Oe。在350 Oe，测试其磁电输出随着所加交变磁场的频率的变化情况，如图3所示。

测试逆磁电性能，在通入恒定的电压下，由于Terfenol-D层的磁化而引起通过线圈的磁通量的变化。线圈感应到的输出电流随着偏置磁场的变化如图3所示。从图4中可以看出，对于逆磁电效应，最优偏置磁场仍然为350 Oe。

本实施例其器件设计结构如图5所示，使直导线在有限距离处与复合磁电垂直，其中1为基于Terfenol-D合金和PMN-PT单晶的复合磁电材料，2为直导线，同时也为电流输入输出电极，3为偏置磁铁，4为铜质屏蔽壳，5为接地电极，6为电压输入输出电极。

非接触式电流-电压双向转换器的性能测试：

测试的时候，选用的通电导线直径为1.3毫米的铜线。铜线外有漆包裹。把铜线紧贴电流-电压变换器。器件输出的电压随着通入的电流变化情况如图9所示。它们之间具有很好的线性关系。

Claims (6)

1.非接触式电流/电压转换器，包括复合磁电材料(1)，偏置磁铁(3)，为屏蔽壳(4)，接地电极(5)，电压输入输出电极(6)，其中：

所述的复合磁电材料是由磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料组成空间层状三明治结构；

偏置磁铁采用一块磁铁在一端提供偏置磁场或两块左右对称分布提供较均匀偏置磁场；

屏蔽壳包裹复合磁电材料；屏蔽壳与总地线相接。

2.按权利要求1所述的非接触式电流/电压转换器，其特征在于所述的复合磁电材料中磁致伸缩材料—压电材料—磁致伸缩材料的厚度比为1：0.5～0.8：1。

3.按权利要求1或2所述的非接触式电流/电压转换器，其特征在于所述的屏蔽壳使用铜质或铝质材料。

4.按权利要求1或2所述的非接触式电流/电压转换器，其特征在于所述的复合磁电材料中的压电材料为铌镁酸铅—钛酸铅单晶材料。

5.按权利要求4所述的非接触式电流/电压转换器，其特征在于所述的铌镁酸铅—钛酸铅单晶材料的化学组成为(1-x)Pb(M g_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃，0.24≤x≤0.34，晶体学方向为<001>和<110>方向。

6.按权利要求2所述的非接触式电流/电压转换器，其特征在于所述的厚度比为1：0.65～0.75：1。

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