CN108414819B - 一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置及方法，属于测量领域。左V型夹块和右V型夹块下端板面分别穿过导向光杆和螺杆，并与导向光杆滑动连接，螺杆右侧通过变速机构与直线电机相连，螺杆带螺纹部分分别与左V型夹块和右V型夹块下端板面螺纹连接，并且左边部分螺纹与右边部分螺纹旋向相反，封装传感器一和封装传感器二固定在底座上，左V型夹块和右V型夹块板面下侧分别与四个导轮连接，导向光杆和螺杆两端穿过底座两侧挡板，分别与底座挡板转动连接。本发明能够实现非接触测量，安全性更高，操作更加简便，满足了各种环境下、多种用途的测量需求，能够在存在振动干扰的各种环境下进行测量，精度高、灵敏度倍增。

Description

一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置及方法

技术领域

本发明属于测量领域，涉及一种适用于在存在干扰环境下测量双芯导线中直流或交流电流的高精度高、高灵敏度压电式无源电流检测装置及方法。

背景技术

从微处理器带来数字化革命到虚拟仪器的飞速发展，各个领域对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高，传统传感器已经不能适应多种测试要求，而压电传感器测试则是替代传统传感器的其中一种传感器。并且现如今，工业发展，人们生活水平提高，工厂、汽车甚至人的日常生活所消耗的能源使得二氧化碳排放量增加，从而加剧了温室效应。中国作为世界第一的一次能源消费国以及最大的二氧化碳排放国。大约45％的二氧化碳量是由家用设备和信息通信技术(ICT)设备的电力消耗造成的。互联网数据中心(IDC)的用电量也随着互联网上数据流量的增加而迅速增加。同时，物联网发展迅速，相关设备系统等，需要长期实时监控其性能及状态，要求监控装置尽可能实现被动式(无源)，非接触，监测。因此，建立有效的电力管理系统，监测用电量至关重要。压电式传感器正满足以上需求，且可具有双线直接检测，无需拆分等优点。它是利用压电材料的压电效应。当压电材料受到压力时，产生弯曲变形，其内部电荷发生极化，在其极化方向的两端面产生电荷，并且形成电场。利用压电传感器的这种工作原理，可以直接实现力学量到电学量的转换。压电传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、精确度高、且不需要外加电源等特点及优点。特别是随着人们的需求和技术的成熟，压电式传感器应用的范围和领域也越来越广泛。并且由于应用广泛，迫切需求压电式传感器能够满足在各种工作环境下保持足够高的测量精度和灵敏度，能够克服环境中的干扰。综上所述，利用压电传感器检测电流时，如何克服环境中的干扰，在各种环境下实现高的检测精度和高的灵敏度非常重要。

发明内容

本发明提供一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置及方法，目的在于提供一种适用于测量双芯导线中直流或交流电流的高精度高、高灵敏度压电式无源电流检测装置及方法，能够在消除外界干扰提高检测精度的同时，实现检测灵敏度的倍增。

本发明采取的技术方案是：左V型夹块和右V型夹块下端板面分别穿过导向光杆和螺杆，并与导向光杆滑动连接，螺杆右侧通过变速机构与直线电机相连，螺杆带螺纹部分分别与左V型夹块和右V型夹块下端板面螺纹连接，并且左边部分螺纹与右边部分螺纹旋向相反，封装传感器一和封装传感器二固定在底座上，左V型夹块和右V型夹块板面下侧分别与四个导轮连接，导向光杆和螺杆两端穿过底座两侧挡板，分别与底座挡板转动连接。

所述封装传感器一和封装传感器二的组成元件各项参数及连接关系相同；其中，封装传感器一的结构是：封装外壳一底部与底座固定连接，悬臂梁一固定在底座上且位于封装外壳一内部，微型磁铁一固定连接于悬臂梁一自由端上，压电薄膜一固定粘结在悬臂梁一上；所述封装传感器二的结构是：封装外壳二底部与底座固定连接，悬臂梁二固定在底座上且位于封装外壳二内部，微型磁铁二固定连接于悬臂梁二自由端上，压电薄膜二固定粘结在悬臂梁二上；压电薄膜一和压电薄膜二极性关于Z轴对称，微型磁铁一和微型磁铁二磁极方向相同。

采用一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置的检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)启动直线电机，使左V型夹块和右V型夹块同步向外滑动，预留出能够装夹电线直径的距离；

步骤(2)将被测导线放置于左V型夹块和右V型夹块之间，启动直线电机，使左V型夹块和右V型夹块同步向内滑动，使导线半夹紧于正中间；

步骤(3)将被测导线接入标准直流电流I₀；

步骤(4)绕Y轴微旋转调整导线，直到测量输出电流为最大的位置，并完全夹紧；

步骤(5)被测导线通入被测直流电流或者交流电流I，进行实际测量，被测直流I可通过与电流检测装置有关的参数K_S和压电片输出电压U得到，公式如下：

其中：式中n取2、E为悬臂梁的弹性模量、I_y为悬臂梁的横截面对弯曲中性轴的惯性矩、a是双芯导线中心与上下电线中心的距离、h为磁铁中心至双芯导线中心的距离、n为串联压电片数量、μ₀为真空磁导率、B_r为永磁铁剩余磁通量、V为单个磁铁体积、l为悬臂梁长度；

发明步骤(5)中输出电压：U＝V_total；

V_total＝V_p1+V_p2，

V_p1是压电薄膜一实际输出电压、V_p2是压电薄膜二实际输出电压；

由于F_ε1≈F_ε2，F_ε1和F_ε2分别为封装传感器一和封装传感器二受到的磁力之外的干扰力，压电薄膜一和压电薄膜二串联总实际输出电压为：

以上方法消除了外界环境中的干扰；

由于微小干扰振动下，传感器振动方向相反，x₁+x₂≈0，所以：

相同输入下，实现了两倍的输出电压，以上方法消除了外界环境中的干扰并实现了检测灵敏度的倍增；

其中：x₁是微型磁铁一中心X轴方向的坐标值、x₂是微型磁铁二中心X轴方向的坐标值、B_r为永磁铁剩余磁通量、V为单个磁铁体积、a是双芯导线正中间与上下电线中心的距离，E_i：各层材料的弹性模量、E_p：压电薄膜的弹性模量、I_i：各层材料的转动惯量A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p1:悬臂梁长度方向上压电薄膜一中心和梁中性轴平行距离、Z_p2:悬臂梁长度方向上压电薄膜二中心和梁中性轴平行距离、Z_i:悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电片长度、L_m：永久磁铁长度、d₃₁是横向压电常数(-50pm V^-1)、w_E是压电片的宽度、C_p是压电薄膜的电容。

本发明的有益效果：

1、本发明能够在不拆开双芯导线的外层保护层的情况下进行测量，因此能够避免破坏双芯导线外层保护层，且简化了拆开外层保护层的步骤。

2、本发明能够实现非接触测量，安全性更高，操作更加简便

3、本发明利用压电材料的压电效应进行测量，不需要额外的电源，能够满足现代绿色环保、低功耗的需求，且简化了安装、更换电池操作。

4、本发明能够消除振动干扰，满足了各种环境下、多种用途的测量需求，能够在存在振动干扰的各种环境下进行测量，精度高、灵敏度倍增。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图，图中导向光杆和螺杆与底座挡板的转动连接部分进行了局部剖视；

图3是本发明的主视图，图中将圆的导轮进行了局部剖视；

图4是本发明两个封装传感器对称布置及磁极极性布置示意图。

具体实施方式

左V型夹块1和右V型夹块5下端板面分别穿过导向光杆6和螺杆7，与导向光杆6滑动连接，导向光杆起导向作用，螺杆起导向和动力传递作用，螺杆7右侧通过变速机构8与直线电机9相连，输入动力，螺杆7带螺纹部分分别与左V型夹块1和右V型夹块5下端板面螺纹连接，并且左边部分螺纹与右边部分螺纹旋向相反，螺杆旋转时左V型夹块1和右V型夹块5同步向内，实现夹紧导线3，或者同步向外，实现松开导线3，保证导线夹紧时在两对称布置的封装传感器一2和封装传感器二4正中间，封装传感器一2和封装传感器二4固定在底座11上，左V型夹块1和右V型夹块5板面下侧分别与四个导轮10连接，装夹时各层截面均为圆的导轮10在底座11槽内做滚动和滑动运动，起辅助导向和减小摩擦作用，导向光杆6和螺杆7两端穿过底座11两侧挡板，分别与底座11挡板转动连接。

所述封装传感器一2和封装传感器二4的组成元件各项参数及连接关系相同；其中，封装传感器一的结构是：封装外壳一204底部与底座11固定连接，封装外壳一204作用是防止精密测量元器件受到外界环境及人为影响，悬臂梁一202固定在底座11上且位于封装外壳一204内部，微型磁铁一201固定连接于悬臂梁一202自由端上，压电薄膜一203固定粘结在悬臂梁一202上；所述封装传感器二4的结构是：封装外壳二404底部与底座11固定连接，封装外壳二404作用是防止精密测量元器件受到外界环境及人为影响，悬臂梁二402固定在底座11上且位于封装外壳二404内部，微型磁铁二401固定连接于悬臂梁二402自由端上，压电薄膜二403固定粘结在悬臂梁二402上；压电薄膜203一和压电薄膜二403极性关于Z轴对称，L1＝L2，微型磁铁一201和微型磁铁二401磁极方向相同，以保证待测导线通电时，悬臂梁弯曲方向同步向内或者同步向外，装夹后导线3在封装传感器一2和封装传感器二4的对称轴Z处。

采用一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置的检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)启动直线电机9，使左V型夹块1和右V型夹块5同步向外滑动，预留出能够装夹电线直径的距离；

步骤(2)将被测导线3放置于左V型夹块1和右V型夹块5之间，启动直线电机，使左V型夹块1和右V型夹块5同步向内滑动，使导线3半夹紧于正中间；

步骤(3)将被测导线3接入标准直流电流I₀；

步骤(4)绕Y轴微旋转调整导线3，直到测量输出电流为最大的位置，并完全夹紧；

步骤(5)被测导线3通入被测直流电流或者交流电流I，进行实际测量，被测直流I可通过与电流检测装置有关的参数K_S和压电片输出电压U得到，公式如下：

其中：式中n取2、E为悬臂梁的弹性模量、I_y为悬臂梁的横截面对弯曲中性轴的惯性矩、a是双芯导线中心与上下电线中心的距离、h为磁铁中心至双芯导线中心的距离、n为串联压电片数量、μ₀为真空磁导率、B_r为永磁铁剩余磁通量、V为单个磁铁体积、l为悬臂梁长度；

其中，步骤(5)中输出电压输出电压：U＝V_total；

V_total＝V_p1+V_p2，

V_p1是压电薄膜一实际输出电压、V_p2是压电薄膜二实际输出电压；

由于F_ε1≈F_ε2，F_ε1和F_ε2分别为封装传感器一和封装传感器二受到的磁力之外的干扰力，压电薄膜一和压电薄膜二串联总实际输出电压为：

以上方法消除了外界环境中的干扰；

由于微小干扰振动下，传感器振动方向相反，x₁+x₂≈0，所以：

相同输入下，实现了两倍的输出电压，以上方法消除了外界环境中的干扰并实现了检测灵敏度的倍增；

其中：x₁是微型磁铁一中心X轴方向的坐标值、x₂是微型磁铁二中心X轴方向的坐标值、B_r为永磁铁剩余磁通量、V为单个磁铁体积、a是双芯导线正中间与上下电线中心的距离，E_i：各层材料的弹性模量、E_p：压电薄膜的弹性模量、I_i：各层材料的转动惯量A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p1:悬臂梁长度方向上压电薄膜一中心和梁中性轴平行距离、Z_p2:悬臂梁长度方向上压电薄膜二中心和梁中性轴平行距离、Z_i:悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电片长度、L_m：永久磁铁长度、d₃₁是横向压电常数(-50pm V^-1)、w_E是压电片的宽度、C_p是压电薄膜的电容。

下面通过与单根压电悬臂梁测电流相比，本发明实现了消除外界干扰的同时实现了灵敏度的倍增，具体如下：

单根电线周围的磁场强度公式为：

式中r为距电线中心的距离；

单根电线，在磁场中的微型磁铁所受磁力正比于磁场的梯度对磁铁体积的积分；

磁铁在磁场受力公式为：式中V为单个磁铁体积；

双芯导线时：

上侧电线磁场强度为：

下侧电线磁场强度为：

双芯导线产生的磁场在x轴方向分量的合成磁场强度：

磁铁在两根磁场叠加情况下受力为：

磁铁中心位于双芯导线中间时：

其中z为微型磁铁中心Z轴方向的坐标值，H_x是磁场X轴方向分量，B_r为永磁铁剩余磁通量、V为磁铁体积、F_x为任意位置磁场力，a是双芯导线中心与上下电线中心的距离；

Z轴方向的应力为：

B_r为永磁铁剩余磁通量、V为单个磁铁体积、a是双芯导线正中间与上下电线中心的距离，E_i是各层材料的弹性模量、E_p是压电薄膜的弹性模量、I_i是各层材料的转动惯量A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p悬臂梁长度方向上压电薄膜中心和梁中性轴平行距离、Z_i是悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电薄膜长度、L_m是永久磁铁长度；

若仅考虑压电薄膜引起的电容，忽略那些由测量系统和其他压电薄膜的影响，各个压电片输出电压公式为：

其中：d₃₁是横向压电常数(-50pm V^-1)、w_E是压电薄膜的宽度、C_p是压电薄膜的电容；当2个压电薄膜串联，总的输出电压公式为：

由于存在干扰振动，实际输出时

其中：F_εi为磁力之外的干扰力；

如图4关于X轴对称布置两压电悬臂梁式传感器，且两自由端磁铁磁极方向相同

压电薄膜一实际输出电压为：

压电片薄膜二实际输出电压为：

由于F_ε1≈F_ε2，F_ε1和F_ε2分别为封装传感器一和封装传感器二受到的磁力之外的干扰力，压电薄膜一和压电薄膜二串联总实际输出电压为：

以上证明了本发明能消除外界环境中的干扰。

由于微小干扰振动下，传感器振动方向相反，x₁+x₂≈0，所以：

输出电压：U＝V_total

与单根压电悬臂梁测电流相比，本发明通入相同电流情况下，输出了两倍电压，因此以上证明本发明实现了检测灵敏度的倍增。

电流测量值为：

式中n取2。

Claims (2)

1.一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置，其特征在于：左V型夹块和右V型夹块下端板面分别穿过导向光杆和螺杆，并与导向光杆滑动连接，螺杆右侧通过变速机构与直线电机相连，螺杆带螺纹部分分别与左V型夹块和右V型夹块下端板面螺纹连接，并且左边部分螺纹与右边部分螺纹旋向相反，封装传感器一和封装传感器二固定在底座上，左V型夹块和右V型夹块板面下侧分别与四个导轮连接，导向光杆和螺杆两端穿过底座两侧挡板，分别与底座挡板转动连接；

所述封装传感器一和封装传感器二的组成元件各项参数及连接关系相同；其中，封装传感器一的结构是：封装外壳一底部与底座固定连接，悬臂梁一固定在底座上且位于封装外壳一内部，微型磁铁一固定连接于悬臂梁一自由端上，压电薄膜一固定粘结在悬臂梁一上；所述封装传感器二的结构是：封装外壳二底部与底座固定连接，悬臂梁二固定在底座上且位于封装外壳二内部，微型磁铁二固定连接于悬臂梁二自由端上，压电薄膜二固定粘结在悬臂梁二上；压电薄膜一和压电薄膜二极性关于Z轴对称，微型磁铁一和微型磁铁二磁极方向相同；

所述一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置的检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)启动直线电机，使左V型夹块和右V型夹块同步向外滑动，预留出能够装夹电线直径的距离；

步骤(2)将被测导线放置于左V型夹块和右V型夹块之间，启动直线电机，使左V型夹块和右V型夹块同步向内滑动，使导线半夹紧于正中间；

步骤(3)将被测导线接入标准直流电流I₀；

步骤(4)绕Y轴微旋转调整导线，直到测量输出电流为最大的位置，并完全夹紧；

步骤(5)被测导线通入被测直流电流或者交流电流I，进行实际测量，被测直流I可通过与电流检测装置有关的参数K_S和压电片输出电压U得到，公式如下：

其中：式中n取2、E为悬臂梁的弹性模量、I_y为悬臂梁的横截面对弯曲中性轴的惯性矩、a是双芯导线中心与上下电线中心的距离、h为磁铁中心至双芯导线中心的距离、n为串联压电片数量、μ₀为真空磁导率、B_r为永磁铁剩余磁通量、V为单个磁铁体积、l为悬臂梁长度。

2.根据权利要求1所述的一种用于双芯导线的压电式无源电流检测装置，其特征在于：所述步骤(5)中输出电压：U＝V_total；

V_total＝V_p1+V_p2，

V_p1是压电薄膜一实际输出电压、V_p2是压电薄膜二实际输出电压；

由于F_ε1≈F_ε2，F_ε1和F_ε2分别为封装传感器一和封装传感器二受到的磁力之外的干扰力，压电薄膜一和压电薄膜二串联总实际输出电压为：

以上方法消除了外界环境中的干扰；

由于微小干扰振动下，传感器振动方向相反，x₁+x₂≈0，所以：

其中：x₁是微型磁铁一中心X轴方向的坐标值、x₂是微型磁铁二中心X轴方向的坐标值、B_r为永磁铁剩余磁通量、V为单个磁铁体积、a是双芯导线正中间与上下电线中心的距离，E_i：各层材料的弹性模量、E_p：压电薄膜的弹性模量、I_i：各层材料的转动惯量A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p1:悬臂梁长度方向上压电薄膜一中心和梁中性轴平行距离、Z_p2:悬臂梁长度方向上压电薄膜二中心和梁中性轴平行距离、Z_i:悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电片长度、L_m：

永久磁铁长度、d₃₁是横向压电常数(-50pmV-1)、w_E是压电片的宽度、C_p是压电薄膜的电容。