CN107132406A - 一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置 - Google Patents

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CN107132406A CN201710326126.1A CN201710326126A CN107132406A CN 107132406 A CN107132406 A CN 107132406A CN 201710326126 A CN201710326126 A CN 201710326126A CN 107132406 A CN107132406 A CN 107132406A
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申岩
张国庆
葛津铭
李洪波
刘劲松
韩月
刘芮彤
杨璐羽
杨滢璇
范维
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Abstract

一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，涉及电力系统计量技术领域。本发明的目的是为超特高压输电系统母线提供一种非接触式磁场传感单元。一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，GMM棒由底座和外壳固定，而输电线路则是垂直于GMM棒，这样GMM棒就能够感应输电线路的磁场而产生轴向的伸缩，从而产生应变转交给输出棒。将探头作为固定板极，将输出棒末端的端面作为可动板极，构成平行极板式电容，当输出棒的位置发生变化时，两极板间电容量随位移量发生改变；为了精确测量微位移的值，在将位移的变化转换成振荡频率的变化后，通过适当的信号转换模块将频率的变化转换成电压的变化输出，最后转换成电压信号输出。

Description

一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置
技术领域
本发明属于电力系统计量技术领域。
背景技术
电流互感器是电力系统建设和运行的重要一次设备，为系统地控制和保护提供准确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到电力系统的安全稳定运行。随着输电技术的快速发展，超特高压输电工程日益增多，电力系统的运行状况需要被牢牢的掌控，这就需要更先进更符合要求的电流传感器来完成这项任务。随着电力工业的发展，近年来科研人员把目光主要聚焦到了研究新型光学电流传感器。按其所应用的材料来划分，目前系统中应用且研究较多的光学电流传感器主要分为三种：
第一种是以重火石玻璃为代表的传感器，另一种是以光纤作为传感材料的传感器。这两种材料都具有法拉第旋光特性，即将该材料置于由输电线路所产生的磁场中，让一束线偏振光通过该材料，由于法拉第旋光效应，在材料中的线偏振光角度将发生一定偏转，偏转的角度与磁场强度呈线性关系。因此可以通过探测出射光偏转角度监测电流强度。
第三种是由光纤布拉格光栅与GMM棒结合起来构成的光学电流传感器。其机理是：将GMM与光纤布拉格光栅沿棒方向粘贴在一起从而同步两种材料的应变，通过测量光栅的波长偏移量，反推其应变大小，从而获得产生磁场的待测直流电流的大小。
然而这三种光学电流传感器共同的不足之处有三点：一是测量精度的温度漂移问题是光学电流传感器的世界技术难题；二是整体结构较为复杂，除了光的双折射对输出结果有影响，光电设备本身也会对最后的数字信号结果产生影响；三是传感器的输出终端都是数字信号，只能通过数字信号对输电线路进行监测，发生故障无法直接进行保护动作。
GMM是具有磁致伸缩特性的材料，因掺杂有稀土元素，并在磁场作用下，该材料相比于传统的铁基以及镍基磁致伸缩材料有相对较大的长度和体积变化，故称之为稀土超磁致伸缩材料。在工程上，利用这个特性，能将电能和磁能高效的转化为机械能，抑或将机械能高效的转化为电能。
磁致伸缩材料主要有三大类：镍和镍基合金(Ni,Ni-Co)，压电陶瓷材料(PZT)和稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrctive Material简称GMM)。铁磁材料在外加磁场作用下发生长度或体积变化的现象称为磁致伸缩。GMM是在室温和低磁场下有很大磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为TbxDy1-xFe2-y，这种材料已实现商品化生产。由于GMM的磁致伸缩系数比传统磁致伸缩材料大约2个数量级，因此被称为稀土超磁致伸缩材料。
GMM是一种新型高效的磁(电)——机械能量转换材料，与Ni和PZT相比，具有优越的性能：
(1)在室温下的磁致伸缩应变量，是Ni磁致伸缩应变的40～50倍，是PZT电致伸缩应变的4～20倍；
(2)能量转换密度高，是Ni的400～500倍，是PZT的10～25倍；
(3)响应速度快，响应速度一般在几十毫秒以下，甚至达到微秒级；
(4)输出力大，带载能力强；
(5)磁机耦合系数大，电磁能——机械能转换效率高，一般可达72％。
发明内容
本发明的目的是为超特高压输电系统母线提供一种非接触式磁场传感单元，同时为磁场传感单元输出棒提供一种微位移测量方法，现提供一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置。
一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，包括磁场传感单元和微位移测量单元，
磁场传感单元包括：底座1、外壳3、预紧力机构4、输出棒5和GMM棒6；
GMM棒6位于外壳3内，底座1将外壳3的底部端口封闭，预紧力机构4将外壳3的顶部端口封闭，外壳3与GMM棒6之间设有偏置磁场2，输出棒5穿过预紧力机构4，输出棒5的首端与GMM棒6相接触，输出棒5的末端位于外壳3外部；
微位移测量单元包括：探头7、前振电路8、混频电路9、本振电路10、施密特触发器11、鉴频器12、低通滤波器13和电压输出电路14；
探头7用于采集探头7与输出棒5末端的距离，探头7的信号输出端连接前振电路8的信号输入端，前振电路8的信号输出端连接混频电路9的前振信号输入端，本振电路10的的信号输出端连接混频电路9的本振信号输入端，混频电路9的混频信号输出端连接施密特触发器11的信号输入端，施密特触发器11的信号输出端连接鉴频器12的信号输入端，鉴频器12的信号输出端连接低通滤波器13的信号输入端，低通滤波器13的信号输出端连接电压输出电路14的信号输入端。
预紧力机构4包括：拧紧螺母41、预压弹簧42和机构壳43；
机构壳43为圆桶形结构，拧紧螺母41与机构壳43的开口处为螺纹连接，机构壳43的底部和拧紧螺母41上分别开有相互正对的通孔，输出棒5的首端穿过两个通孔并与GMM棒6相接触，输出棒5的末端位于预压弹簧42外侧，输出棒5上设有突出部51，突出部51位于机构壳43内，预压弹簧42套接在输出棒5外，且预压弹簧42位于突出部51与拧紧螺母41之间，突出部51的直径大于预压弹簧42的直径。
本发明所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，GMM棒由底座和外壳固定，而输电线路则是垂直于GMM棒，这样GMM棒就能够感应输电线路的磁场而产生轴向的伸缩，从而产生应变转交给输出棒。即：以输电线路为激励磁场源，磁场传感单元利用GMM棒的磁致伸缩效应来实现对超特高压输电系统母线磁场的自传感功能。将探头作为固定板极，将输出棒末端的端面作为可动板极，构成平行极板式电容，当输出棒的位置发生变化时，两极板间电容量随位移量发生改变；为了精确测量微位移的值，在将位移的变化转换成振荡频率的变化后，通过适当的信号转换模块将频率的变化转换成电压的变化输出，最后转换成电压信号输出。
本发明所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，涉及超磁致伸缩材料自传感技术以及微位移测量技术，属于电力系统计量与保护领域。
附图说明
图1为一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置的结构示意图；
图2为磁场传感单元的结构示意图；
图3为预紧力机构的结构示意图；
图4为前振电路的电路图；
图5为本振电路的电路图；
图6为混频器的结构示意图；
图7为施密特触发器输入输出关系曲线图；
图8为鉴频器的电路图；
图9为低通滤波器的电路图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，包括磁场传感单元和微位移测量单元，
磁场传感单元包括：底座1、外壳3、预紧力机构4、输出棒5和GMM棒6；
GMM棒6位于外壳3内，底座1将外壳3的底部端口封闭，预紧力机构4将外壳3的顶部端口封闭，外壳3与GMM棒6之间设有偏置磁场2，输出棒5穿过预紧力机构4，输出棒5的首端与GMM棒6相接触，输出棒5的末端位于外壳3外部；
微位移测量单元包括：探头7、前振电路8、混频电路9、本振电路10、施密特触发器11、鉴频器12、低通滤波器13和电压输出电路14；
探头7用于采集探头7与输出棒5末端的距离，探头7的信号输出端连接前振电路8的信号输入端，前振电路8的信号输出端连接混频电路9的前振信号输入端，本振电路10的的信号输出端连接混频电路9的本振信号输入端，混频电路9的混频信号输出端连接施密特触发器11的信号输入端，施密特触发器11的信号输出端连接鉴频器12的信号输入端，鉴频器12的信号输出端连接低通滤波器13的信号输入端，低通滤波器13的信号输出端连接电压输出电路14的信号输入端。
本实施方式中，GMM棒6由底座1和外壳3固定，而输电线路则是垂直于GMM棒6，这样GMM棒6就能够感应输电线路的磁场而产生轴向的伸缩，从而产生应变转交给输出棒。即：以输电线路为激励磁场源，磁场传感单元利用GMM棒6(超磁致伸缩棒)的磁致伸缩效应来实现对超特高压输电系统母线磁场的自传感功能。将探头7作为固定板极，将输出棒5末端的端面作为可动板极，构成平行极板式电容，当输出棒5的位置发生变化时，两极板间电容量随位移量Δd发生改变；为了精确测量微位移的值，在将位移的变化转换成振荡频率的变化后，通过适当的信号转换模块将频率的变化转换成电压的变化输出，最后转换成电压信号输出。即：磁场传感单元将电流产生的磁场转变为位移量，完成电-磁-机的转换。
具体实施方式二：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置作进一步说明，本实施方式中，预紧力机构4包括：拧紧螺母41、预压弹簧42和机构壳43；
机构壳43为圆桶形结构，拧紧螺母41与机构壳43的开口处为螺纹连接，机构壳43的底部和拧紧螺母41上分别开有相互正对的通孔，输出棒5的首端穿过两个通孔并与GMM棒6相接触，输出棒5的末端位于预压弹簧42外侧，输出棒5上设有突出部51，突出部51位于机构壳43内，预压弹簧42套接在输出棒5外，且预压弹簧42位于突出部51与拧紧螺母41之间，突出部51的直径大于预压弹簧42的直径。
预压弹簧42和输出棒5紧密相连，而拧紧螺母41用来调节预应力的大小，从而来选择合适的预应力大小，提高GMM棒6的输出性能和其抗拉强度。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置作进一步说明，本实施方式中，偏置磁场2包括永磁铁和永磁铁架，永磁铁环绕在GMM棒6周围，永磁铁架用于固定永磁铁。
偏置磁场机构包括永磁铁和固定永磁铁用的永磁铁架，永磁铁环绕在GMM棒6周围，提供偏置磁场，用于消除GMM棒6动态应用下的倍频效应，并移动其工作点至输出特性曲线的线性区域，以提高装置的精度。
具体实施方式四：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置作进一步说明，本实施方式中，前阵电路包括：等效电容Cx、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、三极管T1、三极管T2和电感L1；
等效电容Cx的一端、电容C1的一端、电容C3的一端、电阻R2的一端、电阻R5的一端和电阻R6的一端同时连接电源地，
电阻R1的一端、三极管T1的集电极和三极管T2的集电极同时连接电源正极，
等效电容Cx的另一端和电容C1的另一端同时连接电感L1的一端，
电感L1的另一端同时连接电容C2的一端和电容C4的一端，
电容C2的另一端同时连接电容C3的另一端、电阻R4的一端和电阻R5的一端，
电阻R2的另一端同时连接电阻R1的另一端、电阻R3的一端和电容C5的一端，
电阻R3的另一端同时连接三极管T1的基极和电容C4的另一端，
电阻R4的另一端同时连接三极管T1的发射极和三极管T2的基极，
电容C5的另一端同时连接三极管T2的发射极、电容C6的一端和电阻R6的另一端，
电容C6的另一端作为前阵电路的信号输出端，等效电容Cx的端电压作为前阵电路的信号输入端电压。
本实施方式中前振电路产生振荡频率受被测距离调制的正弦信号。
为了克服传输电缆的杂散电容对电容测量的影响，将探头直接与前振电路相连。前振电路产生的频率信号通过同轴电缆传输至后续的处理电路。探头探测到的位移变化信号通过转换电路，对正弦激励电路产生的正弦载波信号进行调理，转换电路输出为包含位移变化量的电压调制信号。然后，使用精密全波整流和增益滤波等信号处理电路，对转换电路输出的调幅信号进行解调，最终得到与位移变化量成线性关系的直流电压信号。
本振电路用于产生振荡频率基本固定的正弦信号，本振电路的结构如图5所示。
混频器用于将前振电路和本振电路产生的正弦信号下变频混频器的结构如图6所示。
施密特触发器用于将正弦信号调制成方波信号，同时也可以滤除中频信号包含的高频干扰，其输入输出关系曲线图如图7所示。
具体实施方式五：参照图8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置作进一步说明，本实施方式中，鉴频器包括：电容C80、电容C81、电容C82、电容C83、电容C84、变压器、二极管VD1、二极管VD2、电感L82、电阻R81和电阻R82；
电容C81的一端和变压器原边线圈L80的一端同时接地，
电容C81的另一端和变压器原边线圈L80的另一端同时连接电容C80的一端，
电容C80的另一端同时连接电感L82的一端和变压器副边线圈L81的动触点，
变压器副边线圈L81的一个静触点和电容C82的一端同时连接二极管VD2的正极，
变压器副边线圈L81的另一个静触点和电容C82的另一端同时连接二极管VD1的正极，
电感L82的另一端同时连接电容C83的一端、电容C84的一端、电阻R81的一端和电阻R82的一端，
二极管VD1的负极同时连接电容C83的另一端和电阻R81的另一端，
二极管VD2的负极、电容C84的另一端和电阻R82的另一端同时接地，
电容C81的端电压作为鉴频器的信号输入端电压，电阻R81和电阻R82串联后的端电压作为鉴频器的信号输出端电压。
鉴频器用于将输入信号的频率变化转化为输出电压大小的变化。
具体实施方式六：参照图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置作进一步说明，本实施方式中，低通滤波器包括：电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R97、电阻R98、电容C91、电容C92、电容C93、电容C94、电容C95、放大器A1和放大器A2；
电阻R91的一端作为低通滤波器的信号输入端，
电阻R91的另一端同时连接电阻R92的一端、电阻R93的一端和电容C92的一端，
电容C91并联在电阻R91的两端，
电容C92的另一端和电阻R94的一端同时接电源地，电阻R94的另一端连接放大器A1的正向输入端，
电阻R93的另一端同时连接电容C93的一端和放大器A1的反向输入端，
电阻R92的另一端同时连接电容C93的另一端、放大器A1的输出端和电阻R95的一端，
电阻R95的另一端同时连接电阻R96的一端、电阻R97的一端和电容C94的一端，
电容C94的另一端和电阻R98的一端同时接电源地，电阻R98的另一端连接放大器A2的正向输入端，
电阻R97的另一端同时连接电容C95的一端和放大器A2的反向输入端，
电阻R96的另一端同时连接电容C95的另一端和放大器A2的输出端，
放大器A2的输出端作为低通滤波器的信号输出端。
低通滤波器用于平滑鉴频器的输出电压，其结构如图9所示。
当探头与被测物(输出棒端面)之间的距离改变时，探头等效电容变化，导致前振电路的振荡频率改变。混频器将前振电路和本振电路输出的正弦波下变频，由带通滤波器取出中频信号，然后传给施密特触发器将正弦波转换成方波，再经限幅放大器使方波的幅度恒定。将幅度恒定的方波传给鉴频器转换成输出电压受到输入频率调制的电压信号，再经低通滤波器进一步将鉴频器输出的电压信号滤成直流量。最后，将直流量送给非线性校正模块进行处理，得到与测量位移成线性关系的电压输出。

Claims (6)

1.一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，其特征在于，包括磁场传感单元和微位移测量单元，
磁场传感单元包括：底座(1)、外壳(3)、预紧力机构(4)、输出棒(5)和GMM棒(6)；
GMM棒(6)位于外壳(3)内，底座(1)将外壳(3)的底部端口封闭，预紧力机构(4)将外壳(3)的顶部端口封闭，外壳(3)与GMM棒(6)之间设有偏置磁场(2)，输出棒(5)穿过预紧力机构(4)，输出棒(5)的首端与GMM棒(6)相接触，输出棒(5)的末端位于外壳(3)外部；
微位移测量单元包括：探头(7)、前振电路(8)、混频电路(9)、本振电路(10)、施密特触发器(11)、鉴频器(12)、低通滤波器(13)和电压输出电路(14)；
探头(7)用于采集探头(7)与输出棒(5)末端的距离，探头(7)的信号输出端连接前振电路(8)的信号输入端，前振电路(8)的信号输出端连接混频电路(9)的前振信号输入端，本振电路(10)的的信号输出端连接混频电路(9)的本振信号输入端，混频电路(9)的混频信号输出端连接施密特触发器(11)的信号输入端，施密特触发器(11)的信号输出端连接鉴频器(12)的信号输入端，鉴频器(12)的信号输出端连接低通滤波器(13)的信号输入端，低通滤波器(13)的信号输出端连接电压输出电路(14)的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，其特征在于，预紧力机构(4)包括：拧紧螺母(41)、预压弹簧(42)和机构壳(43)；
机构壳(43)为圆桶形结构，拧紧螺母(41)与机构壳(43)的开口处为螺纹连接，机构壳(43)的底部和拧紧螺母(41)上分别开有相互正对的通孔，输出棒(5)的首端穿过两个通孔并与GMM棒(6)相接触，输出棒(5)的末端位于预压弹簧(42)外侧，输出棒(5)上设有突出部(51)，突出部(51)位于机构壳(43)内，预压弹簧(42)套接在输出棒(5)外，且预压弹簧(42)位于突出部(51)与拧紧螺母(41)之间，突出部(51)的直径大于预压弹簧(42)的直径。
3.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，其特征在于，偏置磁场(2)包括永磁铁和永磁铁架，永磁铁环绕在GMM棒(6)周围，永磁铁架用于固定永磁铁。
4.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，其特征在于，前阵电路包括：等效电容Cx、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、三极管T1、三极管T2和电感L1；
等效电容Cx的一端、电容C1的一端、电容C3的一端、电阻R2的一端、电阻R5的一端和电阻R6的一端同时连接电源地，
电阻R1的一端、三极管T1的集电极和三极管T2的集电极同时连接电源正极，
等效电容Cx的另一端和电容C1的另一端同时连接电感L1的一端，
电感L1的另一端同时连接电容C2的一端和电容C4的一端，
电容C2的另一端同时连接电容C3的另一端、电阻R4的一端和电阻R5的一端，
电阻R2的另一端同时连接电阻R1的另一端、电阻R3的一端和电容C5的一端，
电阻R3的另一端同时连接三极管T1的基极和电容C4的另一端，
电阻R4的另一端同时连接三极管T1的发射极和三极管T2的基极，
电容C5的另一端同时连接三极管T2的发射极、电容C6的一端和电阻R6的另一端，
电容C6的另一端作为前阵电路的信号输出端，等效电容Cx的端电压作为前阵电路的信号输入端电压。
5.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，其特征在于，鉴频器包括：电容C80、电容C81、电容C82、电容C83、电容C84、变压器、二极管VD1、二极管VD2、电感L82、电阻R81和电阻R82；
电容C81的一端和变压器原边线圈L80的一端同时接地，
电容C81的另一端和变压器原边线圈L80的另一端同时连接电容C80的一端，
电容C80的另一端同时连接电感L82的一端和变压器副边线圈L81的动触点，
变压器副边线圈L81的一个静触点和电容C82的一端同时连接二极管VD2的正极，
变压器副边线圈L81的另一个静触点和电容C82的另一端同时连接二极管VD1的正极，
电感L82的另一端同时连接电容C83的一端、电容C84的一端、电阻R81的一端和电阻R82的一端，
二极管VD1的负极同时连接电容C83的另一端和电阻R81的另一端，
二极管VD2的负极、电容C84的另一端和电阻R82的另一端同时接地，
电容C81的端电压作为鉴频器的信号输入端电压，电阻R81和电阻R82串联后的端电压作为鉴频器的信号输出端电压。
6.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，其特征在于，低通滤波器包括：电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R97、电阻R98、电容C91、电容C92、电容C93、电容C94、电容C95、放大器A1和放大器A2；
电阻R91的一端作为低通滤波器的信号输入端，
电阻R91的另一端同时连接电阻R92的一端、电阻R93的一端和电容C92的一端，
电容C91并联在电阻R91的两端，
电容C92的另一端和电阻R94的一端同时接电源地，电阻R94的另一端连接放大器A1的正向输入端，
电阻R93的另一端同时连接电容C93的一端和放大器A1的反向输入端，
电阻R92的另一端同时连接电容C93的另一端、放大器A1的输出端和电阻R95的一端，
电阻R95的另一端同时连接电阻R96的一端、电阻R97的一端和电容C94的一端，
电容C94的另一端和电阻R98的一端同时接电源地，电阻R98的另一端连接放大器A2的正向输入端，
电阻R97的另一端同时连接电容C95的一端和放大器A2的反向输入端，
电阻R96的另一端同时连接电容C95的另一端和放大器A2的输出端，
放大器A2的输出端作为低通滤波器的信号输出端。
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