CN106569000A - 一种对电流进行无线无源检测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对电流进行无线无源检测的系统，所述系统包括：声表面波电流传感器，其用于实现电流数据的实时传输；读取器，其用于发送和接收电磁波信号以及进行传感原始信号的处理；无线雷达天线，其用于接收读取器发送的第一电磁波信号和将第二电磁波信号传回读取器；以及阻抗匹配网络，其用于实现无线雷达天线与声表面波电流传感器的阻抗匹配。本发明将无线无源声表面波传感技术和磁致伸缩材料两种技术结合，配合无线雷达天线、读取器和相应数据处理算法构成了上述系统，较好解决了电流传感器技术存在的供电问题。

Description

一种对电流进行无线无源检测的系统和方法
技术领域
本发明涉及仪器测量领域，并且更具体地，涉及一种对电流进行无线无源检测的系统和方法。
背景技术
随着城市的发展，电网网络规模不断扩大，网络元件的配置越来越复杂，电网资源的优化配置也得到进一步提升。然而，电网动态运行的复杂化与互联的紧密性加快了局部故障蔓延到整个网络的速度，更容易导致连锁故障的发生，进而引发大面积停电事故或安全事故。
近年来，国内外相继发生了许多起由于局部故障而蔓延至大面积停电的事故，究其原因局部高压线绝缘子电流泄漏、线路用电负荷过大电流过载等是事故的主要原因。具有高灵敏度、低检测下限与良好稳定性能的无需供电的无线电流检测系统在智能电网线路检测、电力冶金中供电安全预警与救援、工业自动化中电源继保等领域具有重要意义。
现有技术中，成熟应用于电流检测的传感技术主要有霍尔型与光纤型两种。但都存在一定的不足：
霍尔型电流传感技术由于霍尔传感元件自身的构造结构原因，工作时需要供电，通过外围电路将传感器信号输送到智能设备端，这就无法避免传感元件因电源供电影响，高低压、交直流电路干扰影响等降低霍尔传感元件的检测性能。此外，其检测精度容易受到由于霍尔元件本身的不稳定导致的偏移电流以及温度漂移的影响；
光纤型电流传感技术尽管不存在供电绝缘的问题，但其输出灵敏度受外界温度、光纤本身的双折射及入射偏振面位置的影响极大，并且系统组成复杂，实际应用时组建通信网络需要铺设大量光纤路网，无论从传感元件自身还是从系统工程施工的角度都存在极大的困难。同时光学调制器和接收处理终端精密度高，技术难度较大，系统搭建成本很高。
发明内容
为了解决背景技术存在的传感元件需要供电、传感系统构成复杂、成本高、稳定性差等问题，本发明提供一种对电流进行无线无源检测的系统和方法。
本发明所述的对电流进行无线无源检测的系统包括声表面波电流传感器、读取器、无线雷达天线和阻抗匹配网络。
声表面波电流传感器，用于实现电流数据的实时传输，包括压电基片、叉指换能器、第一组反射器、第二组反射器和磁致伸缩薄膜。
压电基片作为振动膜，在其上设置有叉指换能器、第一组反射器、第二组反射器和磁致伸缩薄膜，其中磁致伸缩薄膜在第一组反射器和第二组反射器之间。
叉指换能器通过电连接形式与无线雷达天线进行连接，用于将通过无线雷达天线接收的第一电磁波信号转换成沿压电基片表面传播的声表面波，并将经过第一组反射器和第二组反射器反射后的声表面波转换成第二电磁波信号。
第一组反射器用于反射第一电磁波信号转换成的声表面波。
磁致伸缩薄膜用于产生由于外界电流产生的磁场的影响而引起的电磁场效应。
第二组反射器，其用于反射经第一组反射器反射后，在经过磁致伸缩薄膜时，因磁致伸缩薄膜的电磁场效应而发生变化的声表面波。
所述系统还包括读取器，其用于发送和接收电磁波信号以及进行传感原始信号的处理，所述读取器包括射频信号收发单元和数据处理单元。
射频信号收发单元用于将产生的第一电磁波信号通过无线雷达天线发送到声表面波传感器，并通过雷达天线接收经过声表面波电流传感器的反射生成的第二电磁波信号。
数据处理单元，其对传感原始信号进行时频转换、峰值检测、相位提取和模型建立，并且基于确定的电流检测结果实现对外界电流的检测。
无线雷达天线用于接收读取器发送的第一电磁波信号和将第二电磁波信号传回读取器。
阻抗匹配网络用于实现无线雷达天线与声表面波电流传感器的阻抗匹配。
优选地，所述压电基片为Y向旋转128°沿X方向传播的铌酸锂基片，其压电耦合系数为5.4％，并且声传播速度为3979m/s。或者Y向旋转沿Z方向传播的铌酸锂基片，其压电耦合系数为4.9％，并且声传播速度为3483m/s。
优选地，所述叉指换能器、第一组反射器和第二组反射器采用铝或者金材料制成。
优选地，所述磁致伸缩薄膜采用铁钴合金材料制作，所述铁钴合金的饱和磁感应强度范围为0至500高斯，并且饱和磁致伸缩系数范围为60×10-6至100×10-6。
优选地，所述射频信号收发单元包括频率合成模块、收发分离模块、小信号放大模块、混频模块和信号调理模块。其中，频率合成模块用于产生第一电磁波信号。收发分离模块用于使电磁波信号的发送和接收分离。小信号放大模块用于将第二电磁波信号放大。混频模块用于将第一电磁波信号和放大后的第二电磁波信号进行混频。信号调理模块用于将混频模块进行混频后的信号转换成传感原始信号。
优选地，所述频率合成模块采用锁相环完成频率合成，收发分离模块采用收发开关完成电磁波信号的收发分离。
优选地，所述数据处理单元采用具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元的浮点DSP控制器。
优选地，所述的无线雷达天线采用定向天线，并且天线形式为螺旋天线。
优选地，所述叉指换能器的输入端通过所述无线雷达天线的信号端串联连接阻抗匹配网络中的第一电感，并联连接阻抗匹配网络中的第二电感和第三电感，且无线雷达天线的接地端与所述叉指换能器的接地端电连接。
根据本发明的另一方面，所述对电流进行无线无源检测的方法包括：
声表面波电流传感器接收读取器的射频信号收发单元发送的第一电磁波信号；
第一电磁波信号经声表面波电流传感器反射生成第二电磁波信号；
读取器的射频信号收发单元接收第二电磁波信号，并通过信号调理模块将第一电磁波信号和第二电磁波信号进行混频后的信号转换成传感原始信号；以及
读取器的数据处理单元对传感原始信号进行时频转换、峰值检测、相位提取和模型建立，并且基于确定的电流检测结果实现对外界电流的检测。
优选地，声表面波电流传感器接收读取器的射频信号收发单元发送的第一电磁波包括：频率合成模块产生第一电磁波信号，并经收发分离模块将第一电磁波信号通过雷达天线发送到声表面波电流传感器。
优选地，第一电磁波信号经声表面波电流传感器反射生成第二电磁波信号包括：
叉指换能器将第一电磁波转换成沿压电基片表面传播的声表面波；
所述声表面波被第一组反射器反射后，经过磁致伸缩薄膜时，由于外界电流产生的磁场的影响，磁致伸缩薄膜产生电磁场效应，导致声表面波发生变化；以及
发生变化的声表面波被第二组反射器反射后，由叉指换能器转换成第二电磁波信号。
优选地，读取器的射频信号收发单元接收第二电磁波信号，并将第一电磁波信号和第二电磁波信号进行混频后进行处理得到传感原始信号包括：通过无线雷达天线和收发分离模块接收声表面波电流传感器生成的第二电磁波信号；通过小信号放大模块将第二电磁波放大；混频模块对放大后的第二电磁波和第一电磁波进行混频；以及信号调理模块将混频模块进行混频后的信号转换成传感原始信号。
综上所述，本发明将无线无源声表面波传感技术和磁致伸缩材料两种技术结合，配合无线雷达天线、读取器和相应数据处理算法构成了上述系统，较好解决了电流传感器技术存在的供电问题，大大提高了系统安全性。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1是本发明具体实施方式的对电流进行无线无源检测的系统的结构图；
图2是本发明具体实施方式的声表面波电流传感器结构图；
图3是本发明具体实施方式的读取器结构图；
图4是本发明具体实施方式的阻抗匹配网络结构图；以及
图5是本发明具体实施方式的对电流进行无线无源检测的方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1是本发明具体实施方式的对电流进行无线无源检测的系统的结构图。如图1所示意，本发明所述的对电流进行无线无源检测的系统100包括无线雷达天线101、声表面波电流传感器102、读取器103和阻抗匹配网络104。
无线雷达天线101用于接收读取器103发送的第一电磁波信号105和将第二电磁波信号106传回读取器103。
优选地，所述的无线雷达天线101采用定向天线，并且天线形式为螺旋天线。
声表面波电流传感器102用于实现电流数据的实时传输。
读取器103用于发送和接收电磁波信号以及进行传感原始信号的处理。
阻抗匹配网络104用于实现无线雷达天线101与声表面波电流传感器102的阻抗匹配。
图2是本发明具体实施方式的声表面波电流传感器结构图。如图2所示意，声表面波电流传感器102包括压电基片201、叉指换能器202、第一组反射器203、第二组反射器204和磁致伸缩薄膜205。
压电基片201作为振动膜，在其上设置有叉指换能器202、第一组反射器203、第二组反射器204和磁致伸缩薄膜205，其中磁致伸缩薄膜205在第一组反射器203和第二组反射器204之间。
优选地，所述压电基片201为Y向旋转128°沿X方向传播的铌酸锂基片，其压电耦合系数为5.4％，并且声传播速度为3979m/s。或者Y向旋转沿Z方向传播的铌酸锂基片，其压电耦合系数为4.9％，并且声传播速度为3483m/s。
其中，起始取向可以是当基片的厚度、长度和宽度三边沿着晶系的x、y和z轴方向时的取向，但具体实施时哪个边沿着哪个轴本申请不限制。各晶系的x、y和z轴都有自己的规定。
叉指换能器202通过电连接形式与无线雷达天线101进行连接，用于将通过无线雷达天线101接收的第一电磁波信号105转换成沿压电基片201表面传播的声表面波，并将经过第一组反射器203和第二组反射器204反射后的声表面波转换成第二电磁波信号106。
第一组反射器203用于反射第一电磁波信号105转换成的声表面波。
磁致伸缩薄膜205用于产生由于外界电流产生的磁场的影响而引起的电磁场效应。
第二组反射器204，其用于反射经第一组反射器203反射后，在经过磁致伸缩薄膜205时，因磁致伸缩薄膜205的电磁场效应而发生变化的声表面波。
优选地，所述叉指换能器202、第一组反射器203和第二组反射器204采用铝或者金材料制成。
优选地，所述磁致伸缩薄膜205采用铁钴合金材料制作，所述铁钴合金的饱和磁感应强度范围为0至500高斯，并且饱和磁致伸缩系数范围为60×10-6至100×10-6。
图3是本发明具体实施方式的读取器103的结构图。如图3所示所述读取器包括射频信号收发单元301和数据处理单元302。
射频信号收发单元301用于将产生的第一电磁波信号105通过无线雷达天线101发送到声表面波传感器102，并通过雷达天线101接收经过声表面波电流传感器102的反射生成的第二电磁波信号106。
优选地，所述射频信号收发单元301包括频率合成模块311、收发分离模块312、小信号放大模块313、混频模块314和信号调理模块315。其中，频率合成模块311用于产生第一电磁波信号105。收发分离模块312用于使电磁波信号的发送和接收分离。小信号放大模块313用于将第二电磁波信号106放大。混频模块314用于将第一电磁波信号105和放大后的第二电磁波信号106进行混频。信号调理模块315用于将混频模块314进行混频后的信号转换成传感原始信号。
优选地，所述频率合成模块311采用锁相环完成频率合成，收发分离模块312采用收发开关完成电磁波信号的收发分离。
数据处理单元302，其对传感原始信号进行时频转换、峰值检测、相位提取和模型建立，并且基于确定的电流检测结果实现对外界电流的检测。
优选地，所述数据处理单元302采用具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元的浮点DSP控制器。
图4是本发明具体实施方式的阻抗匹配网络结构图。如图4所示，所述叉指换能器202的输入端N1通过所述无线雷达天线101的信号端N3串联连接阻抗匹配网络104中的第一电感401，并联连接阻抗匹配网络104中的第二电感402和第三电感403，且无线雷达天线101的接地端N4与所述叉指换能器202的接地端N2电连接。
图5是本发明具体实施方式的对电流进行无线无源检测的方法的流程图。如图5所示，所述对电流进行无线无源检测的方法500从S501开始。
在S501，声表面波电流传感器102接收读取器103的射频信号收发单元301发送的第一电磁波信号105。
优选地，声表面波电流传感器102接收读取器103的射频信号收发单元301发送的第一电磁波信号105包括：频率合成模块311产生第一电磁波信号105，并经收发分离模块312将第一电磁波信号105通过无线雷达天线101发送到声表面波电流传感器102。
在S502，第一电磁波信号105经声表面波电流传感器102反射生成第二电磁波信号106。
优选地，第一电磁波信号105经声表面波电流传感器102反射生成第二电磁波信号106包括：叉指换能器202将第一电磁波信号105转换成沿压电基片201表面传播的声表面波；所述声表面波被第一组反射器203反射后，经过磁致伸缩薄膜205时，由于外界电流产生的磁场的影响，磁致伸缩薄膜205产生电磁场效应，导致声表面波发生变化；以及发生变化的声表面波被第二组反射器204反射后，由叉指换能器202转换成第二电磁波信号106。
在S503，读取器103的射频信号收发单元301接收第二电磁波信号106，并通过信号调理模块315将第一电磁波信号105和第二电磁波信号106进行混频后的信号转换成传感原始信号。
优选地，读取器103的射频信号收发单元301接收第二电磁波信号106，并将第一电磁波信号105和第二电磁波信号106进行混频后进行处理得到传感原始信号包括：通过无线雷达天线101和收发分离模块312接收声表面波电流传感器102生成的第二电磁波信号106；通过小信号放大模块313将第二电磁波信号106放大；混频模块314对放大后的第二电磁波信号106和第一电磁波信号105进行混频；以及信号调理模块315将混频模块314进行混频后的信号转换成传感原始信号。
在S504，读取器103的数据处理单元302对传感原始信号进行时频转换、峰值检测、相位提取和模型建立，并且基于确定的电流检测结果实现对外界电流的检测。
综上所述，本发明利用声表面波技术、磁致伸缩效应结合雷达技术实现对电流的无线无源检测，从而大大提高了系统安全性。
已经通过上述实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该【装置、组件等】”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (13)

1.一种对电流进行无线无源检测的系统，其特征在于，所述系统包括：
声表面波电流传感器，其用于实现电流数据的实时传输，包括：
压电基片，其作为振动膜，在其上设置有叉指换能器、第一组反射器、第二组反射器和磁致伸缩薄膜，其中磁致伸缩薄膜在第一组反射器和第二组反射器之间；
叉指换能器，其通过电连接形式与无线雷达天线进行连接，用于将通过无线雷达天线接收的第一电磁波信号转换成沿压电基片表面传播的声表面波，并将经过第一组反射器和第二组反射器反射后的声表面波转换成第二电磁波信号；
第一组反射器，其用于反射第一电磁波信号转换成的声表面波；
磁致伸缩薄膜，其用于产生由于外界电流产生的磁场的影响而引起的电磁场效应；
第二组反射器，其用于反射经第一组反射器反射后，在经过磁致伸缩薄膜时，因磁致伸缩薄膜的电磁场效应而发生变化的声表面波；
所述系统还包括读取器，其用于发送和接收电磁波信号以及进行传感原始信号的处理，所述读取器包括：
射频信号收发单元，其用于将产生的第一电磁波信号通过无线雷达天线发送到声表面波传感器，并通过无线雷达天线接收经过声表面波电流传感器的反射生成的第二电磁波信号，以及
数据处理单元，其对传感原始信号进行时频转换、峰值检测、相位提取和模型建立，并且根据电流检测结果实现对外界电流的检测；
所述系统还包括：
无线雷达天线，其用于接收读取器发送的第一电磁波信号和将第二电磁波信号传回读取器；以及
阻抗匹配网络，其用于实现无线雷达天线与声表面波电流传感器的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压电基片为：
纵轴Y向旋转128°沿横轴X方向传播的铌酸锂基片，其压电耦合系数为5.4％，并且声传播速度为3979m/s；或者
纵轴Y向旋转沿与XY平面垂直的垂直轴Z方向传播的铌酸锂基片，其压电耦合系数为4.9％，并且声传播速度为3483m/s。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述叉指换能器、第一组反射器和第二组反射器采用铝或者金材料制成。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁致伸缩薄膜采用铁钴合金材料制作，所述铁钴合金的饱和磁感应强度范围为0至500高斯，并且饱和磁致伸缩系数范围为60×10-6至100×10-6。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频信号收发单元包括：
频率合成模块，其用于产生第一电磁波信号；
收发分离模块，其用于使电磁波信号的发送和接收分离；
小信号放大模块，其用于将第二电磁波信号放大；
混频模块，其用于将第一电磁波信号和放大后的第二电磁波信号进行混频；以及
信号调理模块，其用于将混频模块进行混频后的信号转换成传感原始信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述频率合成模块采用锁相环完成频率合成，收发分离模块采用收发开关完成电磁波信号的收发分离。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元采用具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元的浮点DSP控制器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的无线雷达天线采用定向天线，并且天线形式为螺旋天线。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述叉指换能器的输入端通过所述无线雷达天线的信号端串联连接阻抗匹配网络中的第一电感，并联连接阻抗匹配网络中的第二电感和第三电感，且无线雷达天线的接地端与所述叉指换能器的接地端电连接。
10.一种电流进行无线无源检测的方法，其特征在于，所述方法包括：
声表面波电流传感器接收读取器的射频信号收发单元发送的第一电磁波信号；
第一电磁波信号经声表面波电流传感器反射生成第二电磁波信号；
读取器的射频信号收发单元接收第二电磁波信号，并通过信号调理模块将第一电磁波信号和第二电磁波信号进行混频后的信号转换成传感原始信号；以及
读取器的数据处理单元对传感原始信号进行时频转换、峰值检测、相位提取和模型建立，并且基于电流检测结果实现对外界电流的检测。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，声表面波电流传感器接收读取器的射频信号收发单元发送的第一电磁波包括：频率合成模块产生第一电磁波信号，并经收发分离模块将第一电磁波信号通过雷达天线发送到声表面波电流传感器。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，第一电磁波信号经声表面波电流传感器反射生成第二电磁波信号包括：
叉指换能器将第一电磁波转换成沿压电基片表面传播的声表面波；
所述声表面波被第一组反射器反射后，经过磁致伸缩薄膜时，由于外界电流产生的磁场的影响，磁致伸缩薄膜产生电磁场效应，导致声表面波发生变化；以及
发生变化的声表面波被第二组反射器反射后，由叉指换能器转换成第二电磁波信号。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，读取器的射频信号收发单元接收第二电磁波信号，并将第一电磁波信号和第二电磁波信号进行混频后进行处理得到传感原始信号包括：
通过无线雷达天线和收发分离模块接收声表面波电流传感器生成的第二电磁波信号；
通过小信号放大模块将第二电磁波放大；
混频模块对放大后的第二电磁波和第一电磁波进行混频；以及
信号调理模块将混频模块进行混频后的信号转换成传感原始信号。
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