CN108614144A - 一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器 - Google Patents

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杨爱超
单鹏
刘明
鲁彩江
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Abstract

本发明提供了一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，该电流传感器由支撑底座、封装外壳、质量块和自偏置磁电复合材料组成，自偏置磁电复合材料一端与支撑底座固定连接，另一端与质量块连接；自偏置磁电复合材料由硬磁薄膜层、磁致伸缩材料层和压电材料层组成，硬磁薄膜层和压电材料层分别层叠在磁致伸缩材料层上下两面，硬磁薄膜层给磁致伸缩材料层提供一个直流偏置磁场，从而使得在零偏置磁场下，磁致伸缩材料层能对载流导线产生的环形微小磁场作出反应，最终使得磁致伸缩材料层实现自偏置磁‑机‑电耦合效应。当自偏置磁致伸缩材料层在感受到载流导线产生的环形磁场时，由于自偏置磁电耦合效应，从而产生电输出，最终实现电流传感。

Description

一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器
技术领域
本发明属于电流传感器领域，具体涉及一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器。
背景技术
电流传感技术可以分为接触式电流传感和非接触式电流传感两种。接触式电流测量中传感元件与输电线路或设备之间互联，没有实现一次二次设备之间的电气隔离，容易对人身安全造成伤害。
非接触式检测一般是通过检测电流产生的磁场而间接测量电流，磁电流传感元件种类很多，按照测试原理划分为：电流互感器、罗氏线圈、霍尔效应、巨磁阻以及磁光效应等。传统的电磁感应电流互感器由于其工作原理逐渐暴露出它的局限性，如绝缘结构复杂、尺寸大、造价高，二次开路危险，铁磁共振等问题日益突出，已难以满足新一代电流检测的需要。罗氏线圈式电流互感器的基本原理是在高压侧用空芯螺旋电磁线圈为传感单元，能够克服由磁性材料的非线性饱和带来的信号失真问题，但它较动态范围小和低频响应弱等因素制约了它在弱电流检测领域的应用，并且具有体积大，造价高，不能测高次谐波，空芯线圈制作要求高，抗电磁干扰能力及运行可靠性差等缺点。霍尔式电流传感器灵敏度低，需要附加电源给传感器供能，并且受外界环境温度影响严重。巨磁阻电流传感器具有很宽的频率响应范围，但是容易受环境温度波动影响，进而限制了对电流探测灵敏度的提高。光纤电流传感器具有比电流互感器和罗氏线圈更宽的频带响应范围和更好的电气绝缘特性，但温度、振动、噪声特性及其对测量精度的影响已成为制约其技术推广的瓶颈，并且受光路影响，系统复杂，造价高，体积大。
近年来，磁致伸缩/压电复合磁电材料因其克服了单相磁电材料工作温度低、磁电转换系数小等问题，在磁传感器、微波滤波器、谐振器、移相器、磁存储元件、生物传感器等领域极具应用前景。
Dong Shuxiang等人率先提出基于磁电复合材料的电流传感器，开辟了利用磁电复合材料进行电流探测的新途径。然而，磁电复合材料中磁致伸缩材料性能的激发需要借助于静态偏置磁场的施加，这样不仅可以使超磁致伸缩材料工作在性能最佳的状态，而且还可以消除倍频现象。但目前的基于磁电复合材料的电流传感器直流磁场均是靠永磁体提供，并且传感器结构复杂、难于安装、不利于微型化、谐振频率不可调。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上实际存在的问题，提供一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，借助静态偏置磁场来实现传感器的最佳工作状态，极大提高灵敏度，同时结构简单微型化，谐振频率可调节。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，该电流传感器由支撑底座、封装外壳、质量块和自偏置磁电复合材料组成，所述自偏置磁电复合材料一端与所述支撑底座固定连接，另一端与所述质量块连接；所述自偏置磁电复合材料由硬磁薄膜层、磁致伸缩材料层和压电材料层组成，所述硬磁薄膜层和所述压电材料层分别层叠在所述磁致伸缩材料层上下两面，所述硬磁薄膜层给磁致伸缩材料层提供一个直流偏置磁场，从而使得在零偏置磁场下，磁致伸缩材料层能对载流导线产生的环形微小磁场作出反应，最终使得磁致伸缩材料层实现自偏置磁-机-电耦合效应。当自偏置磁致伸缩材料层在感受到载流导线产生的环形磁场时，由于自偏置磁电耦合效应，从而产生电输出，最终实现电流传感。
所述磁致伸缩材料层为长条状长方体，长宽比和长厚比均大于6。
所述磁致伸缩材料层由多层铁基纳米晶合金薄膜层叠组成。
所述压电材料层为长条状长方体，其长度小于所述磁致伸缩材料层长度，所述压电材料层与所述磁致伸缩材料层长度比小于0.5，所述压电材料层沿厚度方向极化。
所述压电材料层上设置有输出引线，所述输出引线连接至电路板上，所述电路板固定在所述支撑底座上，所述封装外壳上设有输出接口，所述电路板与所述输出接口连接。
所述压电材料层设置在所述磁致伸缩材料层上表面，所述硬磁薄膜层设置在所述磁致伸缩材料层下表面。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)与传统利用永磁体作为静态磁场偏置的、基于磁电复合材料的电流传感器相比，本发明利用硬磁薄膜材料作为静态磁场偏置，使得电流传感器体积极小、安装方便、重量轻、结构简单，从而更有利于微型化、集成化。
(2)与传统基于磁电复合材料的电流传感器相比，本发明提出的电流传感器采用悬臂梁结构作为弹性构架，从而具有更大的电压输出与更高的灵敏度；采用质量块作为结构调谐方式，从而保证高灵敏度的同时兼顾更宽的频率响应能力。
(3)与传统电流互感器相比，避免了二次开路危险、铁磁共振等问题，且体积小、绝缘简单、成本低；与罗氏线圈相比，在低频弱信号探测时具有更高的信噪比和频率响应能力；与霍尔式电流传感器、光纤电流传感器相比，具有更高的灵敏度、更高的温度稳定性。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明各组成构件结构示意图。
图示说明：支撑底座1、封装外壳2、质量块3、自偏置磁电复合材料4、压电材料层41、磁致伸缩材料层42、硬磁薄膜层43、电路板5。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明，其中相同的结构以相同的名称命名。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，该电流传感器由支撑底座1、封装外壳2、质量块3和自偏置磁电复合材料4组成，自偏置磁电复合材料4一端与支撑底座1固定连接，另一端与质量块3连接；自偏置磁电复合材料4由硬磁薄膜层43、磁致伸缩材料层42和压电材料层41组成，硬磁薄膜层43和压电材料层41分别层叠在磁致伸缩材料层42下表面和上表面，压电材料层41上设置有输出引线，输出引线连接至电路板5上，电路板5固定在支撑底座1上，封装外壳2上设有输出接口，电路板5与输出接口连接。磁致伸缩材料层42为长条状长方体，长宽比和长厚比均大于6,磁致伸缩材料层42由多层铁基纳米晶合金薄膜层叠组成。压电材料层41为长条状长方体，其长度小于磁致伸缩材料层42长度，压电材料层41与磁致伸缩材料层42长度比小于0.5，压电材料层41沿厚度方向极化。硬磁薄膜层43给磁致伸缩材料层42提供一个直流偏置磁场，从而使得在零偏置磁场下，磁致伸缩材料层42能对载流导线产生的环形微小磁场作出反应，最终使得自偏置磁电复合材料4实现自偏置磁-机-电耦合效应。当自偏置磁致伸缩材料层42在感受到载流导线产生的环形磁场时，由于自偏置磁电耦合效应，从而产生电输出，最终实现电流传感。
本发明的原理是：磁致伸缩材料需要在一定偏置磁场条件下才具备优异的磁-机耦合效应，将硬磁薄膜层43与磁致伸缩材料层42进行复合，形成复合磁致伸缩材料层，硬磁薄膜层43为磁致伸缩材料层42提供所需偏置磁场源，最终导致复合磁致伸缩材料层内部磁场的产生，该磁场将使复合磁致伸缩材料层工作在最优状态下，与压电材料结合后，能获得较高的电压输出，从而实现高灵敏度。
通过改变质量单元的的重量，可改变传感器工作频率。根据磁致伸缩材料层42所需偏置磁场的大小，可通过改变硬磁薄膜层43的厚度来实现磁致伸缩材料层42工作在最佳状态。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，其特征在于该电流传感器由支撑底座(1)、封装外壳(2)、质量块(3)和自偏置磁电复合材料(4)组成，所述自偏置磁电复合材料(4)一端与所述支撑底座(1)固定连接，另一端与所述质量块(3)连接；所述自偏置磁电复合材料(4)由硬磁薄膜层(43)、磁致伸缩材料层(42)和压电材料层(41)组成，所述硬磁薄膜层(43)和所述压电材料层(41)分别层叠在所述磁致伸缩材料层(42)上下两面。
2.根据权利要求1所述的一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，其特征在于：所述磁致伸缩材料层(42)为长条状长方体，长宽比和长厚比均大于6。
3.根据权利要求1所述的一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，其特征在于：所述磁致伸缩材料层(42)由多层铁基纳米晶合金薄膜层叠组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，其特征在于：所述压电材料层(41)为长条状长方体，其长度小于所述磁致伸缩材料层(42)长度，所述压电材料层(41)与所述磁致伸缩材料层(42)长度比小于0.5，所述压电材料层(41)沿厚度方向极化。
5.根据权利要求1所述的一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，其特征在于：所述压电材料层(41)上设置有输出引线，所述输出引线连接至电路板(5)上，所述电路板(5)固定在所述支撑底座(1)上，所述封装外壳(2)上设有输出接口，所述电路板(5)与所述输出接口连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于自偏置磁电复合材料的电流传感器，其特征在于：所述压电材料层(41)设置在所述磁致伸缩材料层(42)上表面，所述硬磁薄膜层(43)设置在所述磁致伸缩材料层(42)下表面。
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