CN105334373A - 一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器 - Google Patents

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Abstract

一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，所述传感器包括压电/弹性金属矩形鼓、一对永磁铁（1-1、1-2）、基座（６）和若干支撑体（2-1、2-2）。所述压电/弹性金属矩形鼓由压电片（5-1、5-2）、弹性金属片（3-1、3-2）和连接体（４-1、4-2）组成；两片相同的弹性金属片的两端分别粘合固定在刚性连接体的上下表面的两端，压电片则粘合在弹性金属片之上。本发明采用压电/弹性金属矩形鼓作为传感元件，可以实现较大动态范围、高灵敏度、良好稳定性电流测量。本发明在永磁铁的相吸位置设计增强了压电/弹性金属矩形鼓受到的初始应力，增强了压电输出和传感器灵敏度。本发明可应用于较大动态范围、高灵敏度的电流测量及监测。

Description

一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器
技术领域
本发明涉及一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，属传感器技术领域。
背景技术
漏电流测量已经成为许多应用的重要功能，比如电力网的输电线。特别是需要测量绝缘子接地端的大波动的漏电流。因此，需要一种高灵敏度、大动态范围的电流传感器来监测漏电流。最近几十年，一些研究报导了多种电流传感结构：电磁式电流互感器、罗氏线圈、光学电流互感器等。
具有铁芯的电磁式电流互感器在继电保护和电流测量中一直占主导地位，因其采用铁磁材料和复杂的线圈绕组，频带窄；测量电流很大时，铁芯会产生磁饱和，测量波形严重畸变，动态范围小。罗氏线圈是空芯的，因而无磁饱和现象，所以它具有较大的动态范围和较宽的测量频带；但是当测量电流较小时（小于100A）它的感应输出信号很小，导致较小的信噪比，因此罗氏线圈不适合测量小电流。光学电流传感器具有很强的抗干扰能力和理论上无限宽的带宽，但是它需要额外的供能或电源系统，并且结构复杂。
发明内容
本发明的目的是，针对现有漏电流测量存在的问题，本发明提出一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，以实现较大动态范围、高灵敏度的电流测量及监测。
实现本发明的技术方案是，一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器包括压电/弹性金属矩形鼓、一对永磁铁、基座和若干支撑体。一对永磁铁分别与压电/弹性金属矩形鼓的上下两面通过倒四棱台形的刚性支撑体粘合；倒四棱台形的刚性支撑体的大面朝永磁铁，倒四棱台形的刚性支撑体的小面朝压电/弹性金属矩形鼓；位于下面的永磁铁的另一面粘结在基座上。
所述压电/弹性金属矩形鼓由压电片、弹性金属片和连接体组成；所述连接体由相同形状的两个独立的长方体端部相连构成；两片相同的弹性金属片的两端分别粘合固定在刚性连接体的上下表面的两端，压电片则粘合在弹性金属片之上的中间部位。所述支撑体的横截面为长方形，最小横截面的宽度小于压电片的宽度。所述压电/弹性金属矩形鼓上下两面的支撑体、永磁体处同一垂直轴线，与压电/弹性金属矩形鼓的中心轴线重合。
压电/弹性金属矩形鼓中安装的金属弹性片大小及间距可调。
本发明中连接体为长方体结构，由非导磁金属材料制成。
本发明中，弹性金属片为长方形的铍青铜片，其长宽与连接体一致；压电片为长方形的PZT-8片，其宽度与弹性金属片的宽度相同，长度为弹性金属片长度的１/4—1/2。
本发明中，永磁铁采用钕铁硼（NdFeB）材料；永磁体极性及数量可根据需要进行调节。
本发明中支撑体采用的是刚性四棱台形金属结构，该支撑体上下两面的面积大小差异越大，则通过永磁铁作用在矩形鼓上的应力增强越大，从而压电片电压输出越大、传感器灵敏度也越高。压电/弹性金属矩形鼓与永磁铁之间的支撑体上下面面积比可调。
本发明在在永磁铁和压电/弹性金属矩形鼓之间通过倒四棱台形的刚性支撑体粘合，以保证永磁铁在电线电流安培力作用下产生的振动信号能够高效地传递到压电换能元件压电片上。当永磁铁感受到外部交变磁场时，永磁铁驱动压电/弹性金属矩形鼓的弹性金属片振动，该振动通过胶层传递到压电片；压电片感应振动应力产生电信号输出。
本发明的有益效果是，本发明采用压电/弹性金属矩形鼓作为传感元件，可以实现较大动态范围、高灵敏度、良好稳定性电流测量。与单端悬臂梁结构比较，矩形鼓为双端弹性固定，具有更好的测量稳定性；与电流互感器比较，具有更大的动态范围；与电流互感器、罗氏线圈、光学电流互感器比较，具有更高的灵敏度。本发明在永磁铁和压电/弹性金属矩形鼓之间的支撑体采用的是刚性四棱台形金属结构，该支撑体上下两面的面积大小差异越大，则通过永磁铁作用在矩形鼓上的应力增强越大，从而压电片电压输出越大、传感器灵敏度也越高。本发明在永磁铁的相吸位置设计增强了压电/弹性金属矩形鼓受到的初始应力，增强了压电输出和传感器灵敏度。
本发明可应用于用于较大动态范围、高灵敏度的电流测量及监测。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明中压电/弹性金属矩形鼓的横截面图；
图３是本发明中压电/弹性金属矩形鼓的俯视图；
图中：1-1为第一永磁铁；1-2为第二永磁铁；2-1为第一支撑体；2-2为第二支撑体；3-1为第一弹性金属片；3-2第二弹性金属片；4-1为第一连接体；4-2为第二连接体；5-1为第一压电片；5-2为第二压电片；6为基座。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示。本实施例一种压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器包括压电/弹性金属矩形鼓、一对永磁铁、基座和若干支撑体。
本实施例压电/弹性金属矩形鼓由第一压电片5-1、第二压电片5-2、第一弹性金属片3-1、第二弹性金属片3-2、第一连接体4-1和第二连接体4-2组成。
本实施例第一连接体4-1和第二连接体4-2的材料和形状大小相同的长方体；第一压电片5-1和第二压电片5-2的材料和形状大小相同的长方形压电片；第一弹性金属片3-1和第二弹性金属片3-2的材料和形状大小相同的长方形铍青铜片。一对永磁铁的材料、磁性和形状大小相同四棱台结构，四棱台最小横截面为宽度小于压电片宽度的长方形。
第一连接体4-1和第二连接体4-2在长度方向上连接组成一个长的连接体；
第一弹性金属片3-1的两端粘合固定在由连接体4-1和第二连接体4-2组成的长连接体上表面长度方向的两端；第二弹性金属片3-2的两端粘合固定在由连接体4-1和第二连接体4-2组成的长连接体下表面长度方向的两端；第一压电片5-1粘合在第一弹性金属片3-1表面的中间部位，第二压电片5-2粘合在第二弹性金属片3-2表面的中间部位；第一永磁铁1-1与第一压电片5-1通过支撑体2-1粘合连接，第二永磁铁1-２与第二压电片5-2通过支撑体2-2粘合连接，其中支撑体面积较大一面与永磁体粘合，较小面与压电片粘合。第二永磁铁1-2与基座6粘合固定。
第一支撑体2-1和第二支撑体2-2、连接体4-1和第二连接体4-2、基座6的材料为铝；永磁铁材料为NdFeB；压电片材料为PZT-8；弹性金属片材料为铍青铜。
本实施例中，当把传感器放置于通电导线附近时，根据安培定理或者磁扭转效应，永磁铁将感应变化磁场而产生机械振动；这种振动传递至压电/弹性金属矩形鼓导致电压的产生。因此实现了电-磁-机-电转换，从而实现较大动态范围、高灵敏度的电流测量及监测。

Claims (6)

1.一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，其特征在于，所述传感器包括压电/弹性金属矩形鼓、一对永磁铁、基座和若干支撑体；一对永磁铁分别与压电/弹性金属矩形鼓的上下两面通过倒四棱台形的刚性支撑体粘合；倒四棱台形的刚性支撑体的大面朝永磁铁，倒四棱台形的刚性支撑体的小面朝压电/弹性金属矩形鼓；位于下面的永磁铁的另一面粘结在基座上。
2.根据权利要求１所述一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，其特征在于，所述压电/弹性金属矩形鼓由压电片、弹性金属片和连接体组成；所述连接体由相同形状的两个独立的长方体端部相连构成；两片相同的弹性金属片的两端分别粘合固定在刚性连接体的上下表面的两端，压电片则粘合在弹性金属片之上的中间部位。
3.根据权利要求１所述一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，其特征在于，所述支撑体采用的是刚性四棱台形金属结构，该支撑体上下两面的面积大小差异越大，则通过永磁铁作用在矩形鼓上的应力增强越大，从而压电片电压输出越大、传感器灵敏度也越高。
4.根据权利要求１所述一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，其特征在于，所述压电/弹性金属矩形鼓上下两面的支撑体、永磁体处同一垂直轴线，与压电/弹性金属矩形鼓的中心轴线重合。
5.根据权利要求１所述一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，其特征在于，所述弹性金属片为长方形的铍青铜片，其长宽与连接体一致；压电片为长方形的PZT-8片，其宽度与弹性金属片的宽度相同，长度为弹性金属片长度的１/4—1/2。
6.根据权利要求３所述一种采用压电/弹性金属矩形鼓的小型电流传感器，其特征在于，所述支撑体的横截面为长方形，最小横截面的宽度小于压电片的宽度。
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