CN103245819A - 采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，根据直流电流或直流电压流过惠斯通电桥前后悬臂梁的频率偏移与对应的电流或直流电压之间的工作方程，即可实现直流电流或直流电压的测量。磁激励的高效性可以显著减少激励所需的能量；压阻转换的使用使得悬臂梁工艺制作简单、信号调理电路容易；输出信号为准数字信号，且灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量直流电流或直流电压的方法，更确切地说，是一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法。
背景技术
电流传感器已经广泛地用于现代电力电子系统中，在监控和保护电力系统方面起着非常重要的作用。测量电流的方法有很多，典型的有基于霍尔效应、磁通门、磁阻、光纤技术、欧姆电阻定律、引线电阻技术、罗果夫斯基线圈、电流互感器、偏振检测、干涉仪检测、磁感应等原理的方法。随着MEMS技术的发展以及电力电子模块集成化的趋势，新近又出现了基于压电微悬臂梁测量直流或是交流电流的方法。为了便于电流的数字控制和监控，电流信息需要转化为数字信号，但几乎所有根据这些方法制造的电流传感器的输出信号都是模拟信号，这就需要额外的模拟数字转换器。此外，在测定微小电流时，还需要对输出信号进行放大、滤波等处理，这不仅增加了传感器的体积，还增加了制造成本。谐振式传感器不仅具有高的稳定性和分辨率，而且它的输出即为准数字信号，采用这种原理制造的电流传感器很容易实现高集成、高效率以及更加复杂的电流控制技术，同时，准数字信号输出也为信号的长距离传输提供了有利条件。
目前，有报道的谐振式电流传感器为采用压电悬臂梁制作而成，可以实现0–20mA的直流电流测量，但是，压电悬臂梁本身也容易受到外界电场的干扰，影响测量结果的精度，而且这种传感器灵敏度较低（约为0.0025Hz/mA2）。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，通过检测悬臂梁的谐振频率实现直流电流或直流电压的测量，以解决现有直流电流或直流电压测量方法输出为非数字信号或者输出灵敏度过低等缺点。
为了克服现有方法的缺点，本发明提供一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，将所述压阻式悬臂梁置于匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，所述悬臂梁上的激励线圈上施加有正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力发生往复振动，所述悬臂梁的振动通过压阻惠斯通电桥感知，所述压阻惠斯通电桥的偏置电流或偏置电压由恒流源或恒压源提供，当惠斯通电桥的偏置电流为I1或偏置电压为V1时，所述惠斯通电桥的输出电压为U1；通过改变正弦交流电压的频率改变悬臂梁的振动频率，当正弦交流电压的频率等于悬臂梁的固有频率时发生谐振，通过正弦交流电压的频率与悬臂梁的输出电压之间对应关系曲线拟合得到悬臂梁的谐振频率；重复上述步骤，确定电流工作方程f=aI2+b或电压工作方程f=aV2+b中的参数a和b，即可通过该悬臂梁测量未知直流电流或未知直流电压的大小。
一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，包括以下步骤：
（1）将该悬臂梁置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，然后通过第一和第二焊盘给悬臂梁上的激励线圈提供一个正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力将会发生往复振动；
（2）悬臂梁的振动通过置于悬臂梁根部的压阻惠斯通电桥感知，由一恒流源或恒压源通过第三、第四、第六和第七焊盘供给惠斯通电桥偏置电流为I1或偏置电压为V1时，使用锁相放大器通过第五和第八焊盘测量惠斯通电桥的输出U1；
（3）改变输入的交流电压的频率，悬臂梁的振动频率随之发生改变但等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁的固有频率时将会发生谐振，通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大器的输出数据，进行拟合即可得到悬臂梁的谐振频率为f1；
（4）重复步骤（2）和（3），改变输入的偏置电流为I2或偏置电压为V2，此时测得悬臂梁的谐振频率为f2；
（5）根据以上测量结果以及电流工作方程f=aI2+b或电压工作方程f=aV2+b，确定电流或电压工作方程中的待定参数a和b；当该悬臂梁（11）用于某未知直流电流或直流电压的测量时，根据测得的谐振频率f，以及参数a和b，即可计算出该未知直流电流或直流电压大小。
作为本发明的优选实施例，所述的压阻式悬臂梁，是矩形悬臂梁或三角形悬臂梁或梯形悬臂梁。
作为本发明的优选实施例，所述的压阻式悬臂梁，其固支条件为单端固支，或双端固支或者四周固支。
作为本发明的优选实施例，所述的压阻式悬臂梁是采用磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。
本发明采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，至少具有以下优点：磁激励的高效性可以显著减少激励所需的能量，使其可以用在便携式设备中；压阻转换的使用使得谐振器制作简单、信号调理电路容易并且具有大的动态范围；输出信号为准数字信号，且灵敏度高。
附图说明
图1为本发明所述的磁激励谐振压阻式悬臂梁平面结构示意图；
图2为本发明的测量直流电流实验数据效果图；
图中的标号如下表示：
| 1-8 | 第一至第八焊盘 | 9 | 惠斯通电桥 |
| 10 | 激励线圈 | 11 | 矩形悬臂梁 |
具体实施方式
以下结合附图对本发明采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流的方法的工作过程作更加详细地说明：
请参阅图1所示，本发明采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流的方法包括以下步骤：
1）将该悬臂梁11置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁11的长度方向，然后通过第一和第二焊盘1、2给给悬臂梁11上的激励线圈10提供一个正弦交流电压，悬臂梁11受到交变的电磁力将会发生往复振动；
2）悬臂梁11的振动通过置于悬臂梁11根部的压阻惠斯通电桥9感知，由一恒流源通过第三、第四、第六和第七焊盘3、4、6、7供给惠斯通电桥9直流偏置电流为I1时，使用锁相放大器通过第五和第八焊盘5、8测量惠斯通电桥9的输出U1；
3）改变输入的交流电压的频率，悬臂梁11的振动频率随之发生改变但等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁11的固有频率时将会发生谐振，通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大器的输出数据，并进行拟合即可得到悬臂梁11的谐振频率为f1；
4）重复步骤（2）和（3），改变输入的直流偏置电流为I2，此时测得悬臂梁11的谐振频率为f2；
5）根据以上测量结果以及电流工作方程f=aI2+b，确定电流工作方程中的待定参数a和b。当该悬臂梁11用于某未知电流I的测量时，根据测得的谐振频率f，以及参数a和b，即可计算出该未知直流电流大小。
在此，需要特别指出的是，本发明所述的压阻式悬臂梁是采用磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的；优选为钐钴永磁铁。对于标定好的压阻式悬臂梁，不要再改变其激励线圈供电电压的幅值。所述的压阻式悬臂梁，可以是常见的矩形悬臂梁，也可以是三角形悬臂梁，梯形悬臂梁，或者是其它任意形状悬臂梁。所述的压阻式悬臂梁，其固支条件可以为单端固支，或双端固支或者四周固支。
本发明还提供了一种测量直流电压的方法，与上述测量直流电流的方法基本相同，其不同之处在于：1、步骤2）中，供给惠斯通电桥的是直流偏置电压；2、步骤5）中，电流工作方程f=aI2+b替换为电压工作方程f=aV2+b。
图2为本发明的测量直流电流实施效果图，所使用的悬臂梁为单端固支的矩形悬臂梁，其长度、宽度和厚度分别为：1363.80μm、2263.11μm和34.12μm，测量是在常压常温的空气中实施的，悬臂梁激励线圈的供电电压幅值为0.5V，惠斯通电桥的直流偏置电流为2–5mA，外界磁场强度为0.28T。直流电流的测量精度为1.76%FS，测量灵敏度为3.63956Hz/mA2，该灵敏度是其他有报道的传感器的1456倍。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于：将所述压阻式悬臂梁置于匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，所述悬臂梁上的激励线圈上施加有正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力发生往复振动，所述悬臂梁的振动通过压阻惠斯通电桥感知，所述压阻惠斯通电桥的偏置电流或偏置电压由恒流源或恒压源提供，当惠斯通电桥的偏置电流为I1或偏置电压为V1时，所述惠斯通电桥的输出电压为U1；通过改变正弦交流电压的频率改变悬臂梁的振动频率，当正弦交流电压的频率等于悬臂梁的固有频率时发生谐振，通过正弦交流电压的频率与悬臂梁的输出电压之间对应关系曲线拟合得到悬臂梁的谐振频率；重复上述步骤，确定电流工作方程f=aI2+b或电压工作方程f=aV2+b中的参数a和b，即可通过该悬臂梁测量未知直流电流或未知直流电压大小。
2.一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将该悬臂梁（11）置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁（11）的长度方向，然后通过第一和第二焊盘（1、2）给悬臂梁（11）上的激励线圈（10）提供一个正弦交流电压，悬臂梁（11）受到交变的电磁力将会发生往复振动；
（2）悬臂梁（11）的振动通过置于悬臂梁（11）根部的压阻惠斯通电桥（9）感知，由一恒流源或恒压源通过第三、第四、第六和第七焊盘（3、4、6、7）供给惠斯通电桥（9）偏置电流为I1或偏置电压为V1时，使用锁相放大器通过第五和第八焊盘（5、8）测量惠斯通电桥（9）的输出U1；
（3）改变输入的交流电压的频率，悬臂梁（11）的振动频率随之发生改变但等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁（11）的固有频率时将会发生谐振，通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大器的输出数据，进行拟合即可得到悬臂梁（11）的谐振频率为f1；
（4）重复步骤（2）和（3），改变输入的偏置电流为I2或偏置电压为V2，此时测得悬臂梁（11）的谐振频率为f2；
（5）根据以上测量结果以及电流工作方程f=aI2+b或电压工作方程f=aV2+b，确定电流或电压工作方程中的待定参数a和b；当该悬臂梁（11）用于某未知直流电流或直流电压的测量时，根据测得的谐振频率f，以及参数a和b，即可计算出该未知直流电流或直流电压大小。
3.如权利要求1所述的采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于：所述的压阻式悬臂梁，是矩形悬臂梁或三角形悬臂梁或梯形悬臂梁。
4.如权利要求2或3所述的采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于：所述的压阻式悬臂梁，其固支条件为单端固支，或双端固支或者四周固支。
5.如权利要求2所述的采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于：所述的压阻式悬臂梁是采用磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。
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