CN109342799B - 一种石英谐振式电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石英谐振式电流传感器。电流敏感单元包括双端固定的石英音叉和载流弹性支撑梁；所述石英音叉两端分别固定在两根载流弹性支撑梁的中部，且石英音叉的长度方向与载流弹性支撑梁长度方向垂直；载流弹性支撑梁的表面沿轴向镀有电极，电极两端分别连接与其对应的感应线圈的两端，载流弹性支撑梁两端分别设置在外围框架上；当待测电流变化时，两个感应线圈产生大小相等且方向相反的感应电流，所述感应电流分别沿电极流过两根载流弹性支撑梁，载流弹性支撑梁在永磁体提供的磁场作用下产生安培力使石英音叉轴向受力，并引起音叉谐振频率发生变化，根据石英音叉的频率变化量检测出电流。本发明损耗低，灵敏度高，且体积小。

Description

一种石英谐振式电流传感器

技术领域

本发明属于涉及一种石英谐振式电流传感器，特别是采用高Q值石英晶体谐振器的电流传感器。

背景技术

电流作为一个基本的物理量，对其精确测量具有重要意义。常见的电流传感器有很多，一类是基于欧姆定律的分流器，但是分流器串联在电路中，有其发展的局限性，主要是当测量大电流时损耗大，另一类电流传感器则是基于安培环路定理，通过测量磁场来间接测量电流的大小和方向，主要以霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、磁阻电流传感器、罗氏线圈、电流互感器为代表。这些电流传感器都或多或少存在一些应用的局限性，如霍尔传感器，高频交流电会使磁芯过热。大的尖峰电流或者过流，会增大磁失调，需要消磁。而对于磁通门电流传感器，可能会有电压噪声反馈到被测原边电流上。控制电路复杂，且次级线圈的分布电容影响电流传感器的测量带宽。AMR电流传感器闭环测量范围小，而GMR和TMR电流传感器，在高频电流时，会使磁芯过热。对于罗氏线圈，原边电流的位置影响测量精度，由于灵敏度低，不适宜测量小电流，副边线圈的分布电容，会影响测量带宽。

发明内容

针对上诉电流传感器存在的不足，本发明提出一种新型的石英谐振式电流传感器，主要采用高Q值的石英晶体制作成对电流十分敏感的谐振器结构，在电流检测时具有高Q值，低损耗的优势，其灵敏度高，分辨率高，且体积小，可用于交变电流检测。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种石英谐振式电流传感器，包括永磁铁、电流敏感单元、两个感应线圈；电流敏感单元包括双端固定的石英音叉和载流弹性支撑梁；所述石英音叉两端分别固定在两根载流弹性支撑梁的中部，且石英音叉长度方向垂直；载流弹性支撑梁的表面沿轴向镀有电极，电极两端分别连接与其对应的感应线圈的两端，载流弹性支撑梁两端分别设置在外围框架上；当待测电流变化时，两个感应线圈产生大小相等且方向相反的感应电流，所述感应电流分别沿电极流过两根载流弹性支撑梁，载流弹性支撑梁在永磁体提供的磁场作用下产生安培力，所示安培力传递到石英音叉上使石英音叉轴向受力，并引起音叉谐振频率发生变化，根据石英音叉的频率变化量检测出电流。

较佳地，所述石英音叉包括两个振梁；音叉振梁具有四个面，并设置有四个电极，其中两个为正电极、另外两个为负电极，正负电极间隔设置；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。

较佳地，假设音叉振梁的长度为L，则应力接近为零的两个位置分别为0.224L处和0.776L处。

较佳地，所述两个感应线圈设置在PCB板上，PCB板上还设置有电流输出焊盘，感应线圈两端与所述电流输出焊盘连接，所述电流输出焊盘通过导线与载流弹性支撑梁表面的电极连接。

较佳地，石英音叉和载流弹性支撑梁为石英晶体制作的一体式结构，其外围框架上设置有电流输入焊盘和音叉激振焊盘，载流弹性支撑梁表面的电极两端通过导线引出至电流输入焊盘，电流输入焊盘通过导线与PCB板上还设置有电流输出焊盘连接；石英音叉表面的四个电极通过导线分别引出至相应的音叉激振焊盘，音叉激振焊盘与外部振荡电路连接。

较佳地，所述外部振荡电路为门振荡电路，其为石英音叉提供振动激励信号，并向频率计输出石英音叉的数字频率信号。

较佳地，石英音叉由高Q值石英、硅或者氮化铝中的一种材料制作而成。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明相比于模拟信号输出的电流传感器，不需要复杂的检测电路，不需要进行A/D转换；

(2)本发明采用高Q值的压电石英制作的电流敏感单元，仅需要极小的驱动功耗就可使音叉振动，且驱动电路和检测电路简单；

(3)石英音叉谐振器的谐振频率为35kHz左右，远高于环境噪声，即使采用滤波器降噪，仍能保持宽带和快速响应，因此这种通过频率测量实现磁场测量的方法，具有先天对噪声不灵敏的优点，抗干扰能力强，适合在恶劣电磁环境下使用。

附图说明

图1是本发明石英谐振式电流传感器的结构组成示意图；

图2是本发明石英谐振式电流传感器中电流敏感单元的结构示意图；

图3是电流敏感单元中载流弹性支撑梁的局部放大图；

图4是本发明石英谐振式电流传感器中音叉振梁电极涂布示意图；

图5是本发明石英谐振式电流传传感器工作原理图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明所述石英谐振式电流传感器，主要包括永磁铁、电流敏感单元、带感应线圈和焊盘的PCB板、振荡电路以及频率计。其中电流敏感单元由石英音叉、载流弹性支撑梁、音叉激振焊盘和电流输入焊盘组成。石英音叉的两端分别固定在两根相互平行的载流弹性支撑梁中部，且与载流弹性支撑梁垂直，振荡电路与石英音叉电极引出的音叉激振焊盘相连，用于激励石英音叉振动，频率计用于检测振荡电路输出的频率信号。

所述石英音叉使用Z切的石英基片制作而成。所述石英音叉包括两个振梁，音叉振梁具有四个面，四个面上设置有电极，包括两个正电极和两个负电极，正负电极间隔设置在四个面上；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。

载流弹性支撑梁的表面沿长度方向镀有金属电极，工作状态下，沿两个载流弹性支撑梁长度方向流过大小相等但方向相反的电流。

谐振式电流敏感单元采用一体式结构设计，将双端固定石英音叉、载流弹性支撑梁和电极集成于一块石英基片上。

当待测电流变化时，由法拉第电磁感应定律，PCB板上的感应线圈产生大小相等方向相反的感应电流，两个线圈产生的感应电流分别流过电流敏感单元上两根相互平行的载流弹性支撑梁，两根载流弹性支撑梁在永磁体提供的磁场作用下受到大小相等方向相反的安培力作用，该安培力传递到石英音叉上会使石英音叉轴向受力，而横向振动的石英音叉对轴向力十分敏感，从而引起音叉谐振频率的变化，通过检测石英音叉的频率变化量就可以达到电流检测的目的。

实施例

如图1所示，本实施例所示石英谐振式电流传感器包含永磁体1、谐振式电流敏感单元2、带感应线圈的PCB板3、永磁体4，其中5为待测电流导线。谐振式电流敏感单元2为采用高Q值的石英晶体制作的一体式结构，如图2所示，其包括双端固定的石英音叉2-1、载流弹性支撑梁2-2、电流输入焊盘2-3和音叉激振焊盘2-4。

所述石英音叉2-1包含两个尺寸相同且相互平行的振梁。所述石英音叉2-1两端分别固定在两根载流弹性支撑梁2-2的中部，且石英音叉2-1的长度方向与载流弹性支撑梁2-2长度方向垂直，载流弹性支撑梁2-2两端分别设置在外围框架上。

带感应线圈的PCB板3上设置有两个感应线圈，感应线圈的两个输出端分别与载流弹性支撑梁2-2上设置的电极的两端通过导线连接。

石英音叉2-1采用对温度响应不灵敏的Z切型石英基片制作而成。通过光刻、腐蚀、溅射电极等工艺过程，在音叉的振梁上下左右四个表面制备特殊形状的电极。如图4所示，假设振梁的长度为L，在振梁长度的0.224和0.776倍(0.224L，0.776L)位置附近，使涂布正负电极发生反转，A-A截面所代表振梁上部(横放时为振梁左部)以及C-C截面所代表的振梁下部(横放时为振梁右部)垂直于Z轴面上的电极(Vd)为正极，垂直于X轴面上的电极(G)为负极，B-B截面所代表的振梁中部垂直于X轴面上的电极(Vd)为正极，垂直于Z轴面上的电极(G)为负极。也就是说，当正负电极被接入振荡电路时，以(0.224L，0.776L)位置为分界点，振梁内部的电极化方向发生反转，从而由于逆压电效应在振梁内部产生的应力分布方向也发生反转，从而诱发出两根振梁振动方向相反、振形对称的振动模态。这种振动模态的优点在于，在两端，两根振梁的弯矩会相互抵消，极大地减小了能量损耗。

具体来说，当音叉发生振动方向相反、振形对称的振动模态时，在音叉长度L的0.224和0.776倍位置附近，应力接近为0。以此应力接近为0的位置为分界点，可将音叉的振梁分为三段，那么该三段振梁内部的应力分布方向发生反转，从而压电材料内部的电极化发生反转，所以用于提取电极化产生电荷的振梁表面的正负电极在该三段依次发生反转。如图4所示，对于右侧振梁，其上段A-A截面和振梁下段C-C截面，垂直于Z轴面上的电极为正极G，垂直于X轴的面上电极为负极Vd，振梁中段B-B截面，垂直于Z轴面上的电极为负极Vd，垂直于X轴的面上电极为正极G；其中，上段A-A截面的下部正极G、中段B-B截面的右部正极G以及下段C-C截面的底部正极G为同一正电极依次在右侧振梁底面、右侧面以及上面的反转；上段A-A截面的上部正极G、中段B-B截面的左部正极G以及下段C-C截面的上部正极G为同一正电极依次在右侧振梁上面、左侧面以及下面的反转。同理，另外有两个负电极依次在振梁上分三段反转。左侧振梁与右振梁结构一样，其上段A-A截面和振梁下段及C-C截面，垂直于Z轴面上的电极为负极Vd，垂直于X轴的面上电极为正极G，振梁中段B-B截面，垂直于Z轴面上的电极为正极G，垂直于X轴的面上电极为负极Vd。左侧振梁的四个面上，同样有两对电极分三段反转。但在左侧振梁与右侧振梁相对的两个面上，三段对应的电极相反。

为了便于检测石英振梁表面电极上的电信号，正负电极分别在两端引出正极焊盘G和负极焊盘Vd。可通过检测振梁两端的正极焊盘G是否导通，以及振梁两端的负极焊盘Vd之间的电阻值来判断表面电极的制造质量。正极焊盘G和负极焊盘Vd可以作为音叉激振焊盘2-4。

结合图3，载流弹性支撑梁2-2的表面轴向镀有金属电极，用于电流传输，并在弹性支撑2-2的两端引出电流输入焊盘2-3到弹性支撑梁的固定框架上，PCB板上的两个线圈接线端分别与载流弹性支撑梁2-2的电流输入焊盘2-3连接，当感应线圈中产生大小相等方向相反的感应电流时，两个载流弹性支撑梁2-2的表面电极中便流过大小相等方向相反的电流。

音叉激振焊盘2-4与振荡电路相连，优选的，可采用如图5虚线框内所示的门电路作为振荡电路。当振荡电路内部的电源接通时，会在振荡电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量，经过放大反馈给石英谐振器，而石英谐振器自身是一个选频网络，它会选择一个单一频率的正弦量输出，输出的频率信号可以通过频率计来检测。而石英音叉2-1在安倍力的用作用下其谐振频率会发生变化。因此，在保持永磁体磁场不变的情况下，可以在待测电流大小与石英谐振器频率之间建立线性关系，因此可以通过测量石英谐振器频率来推导出待测电流。

优选的，振荡电路还可以是皮尔斯振荡电路、布特勒振荡电路等。

传感器工作时，当左边的载流弹性支撑梁2-2中电流方向为由下至上的竖直方向，右边的载流弹性支撑梁2-2中电流方向与左边相反由上至下的竖直方向时，磁场B方向垂直于纸面向里，则左侧载流弹性支撑梁产生水平向左的安培力F，而右侧载流弹性支撑梁则受到大小相等方向相反(即水平向右)的安培力F，如图5所示，安培力F传递到中间的石英音叉上使石英音叉2-1轴向受力(拉力或者压力)，从而石英晶体音叉谐振器的谐振频率由于力频率效应产生变化。通过频率检测谐振频率的变化量可计算出施加在石英音叉上的轴向力大小(即安培力大小)，而永磁铁提供磁场不变，载流弹性支撑梁长度不变，安培力与流经载流弹性支撑梁中的电流便呈线性关系，再通过电磁感应定律的相关原理便可求解出待测电流值，达到电流检测的目的。

所述频率计可借鉴现有的频率测量电路和方法实现，典型的，可基于FPGA芯片，采用采用非周期同步方法实现高精度频率测量。

由洛伦兹力的相关知识可知，位于磁场中的运动电荷会受到磁场作用产生洛伦兹作用，而电流中运动电荷为负电荷，所以位于磁场中的载流导体会受到与洛伦兹力大小相等方向相反的安培力。本发明所述石英谐振式电流传感器中，石英音叉两端与载流弹性支撑梁连接，载流弹性支撑梁中流过大小相等方向相反的电流，在磁场中受到磁场作用产生洛伦兹力，该洛伦兹力传递到石英音叉上会使石英音叉轴向受力，而横向振动的音叉对轴向力比较敏感，因此会引起石英音叉谐振频率的改变。通过测量石英音叉谐振频率的变化并换算成电流的变化，再由电磁感应定律的相关知识计算，便可求解出待测电流，达到电流检测的目的。该石英谐振式电流传感器的输出信号为数字频率信号，数字频率信号抗干扰能力强，且不需要复杂的信号处理电路，从而大大地降低了因采用复杂信号处理电路带来的噪声影响，对提高电流传感器的各项性能指标具有重要意义。

Claims (7)

1.一种石英谐振式电流传感器，其特征在于，包括永磁铁（1）、电流敏感单元（2）、两个感应线圈；

电流敏感单元（2）包括双端固定的石英音叉（2-1）和两根载流弹性支撑梁（2-2）；所述石英音叉（2-1）两端分别固定在两根载流弹性支撑梁（2-2）的中部，且石英音叉（2-1）的长度方向与载流弹性支撑梁（2-2）长度方向垂直；载流弹性支撑梁（2-2）的表面沿轴向镀有电极，一根载流弹性支撑梁（2-2）的电极两端连接两个感应线圈中的一个线圈的两端，另一根载流弹性支撑梁（2-2）的电极两端连接另一个感应线圈的两端，载流弹性支撑梁（2-2）两端分别设置在外围框架上；

当待测电流变化时，两个感应线圈产生大小相等且方向相反的感应电流，所述感应电流分别沿电极流过两根载流弹性支撑梁（2-2），2根载流弹性支撑梁（2-2）在永磁铁（1）提供的磁场作用下分别产生大小相等方向相反的安培力，所述安培力传递到石英音叉（2-1）上使石英音叉（2-1）轴向受力，并引起石英音叉谐振频率发生变化，根据石英音叉（2-1）的频率变化量检测出电流。

2.如权利要求1所述的石英谐振式电流传感器，其特征在于，所述石英音叉(2-1)包括两个振梁；每个音叉振梁具有四个面，每个面上均设置有电极，以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三段，同时每个面上的电极对应分为三段，每个面上的三段电极正负极间隔设置，且相邻面的电极正负极间隔设置。

3.如权利要求2所述的石英谐振式电流传感器，其特征在于，假设音叉振梁的长度为L，则应力接近为零的两个位置分别为0.224L处和0.776L处。

4.如权利要求1所述的石英谐振式电流传感器，其特征在于，所述两个感应线圈设置在PCB板上，PCB板上还设置有电流输出焊盘，感应线圈两端与所述电流输出焊盘连接，所述电流输出焊盘通过导线与载流弹性支撑梁（2-2）表面的电极连接。

5.如权利要求2所述的石英谐振式电流传感器，其特征在于，石英音叉（2-1）和载流弹性支撑梁（2-2）为石英晶体制作的一体式结构，其外围框架上设置有电流输入焊盘（2-3）和音叉激振焊盘（2-4），载流弹性支撑梁（2-2）表面的电极两端通过导线引出至电流输入焊盘（2-3），电流输入焊盘（2-3）通过导线与PCB板上还设置有电流输出焊盘连接；石英音叉（2-1）表面的四个电极通过导线分别引出至相应的音叉激振焊盘（2-4），音叉激振焊盘（2-4）与外部振荡电路连接。

6.如权利要求5所述的石英谐振式电流传感器，其特征在于，所述外部振荡电路为门振荡电路，其为石英音叉（2-1）提供振动激励信号，并向频率计输出石英音叉（2-1）的数字频率信号。

7.如权利要求1所述的石英谐振式电流传感器，其特征在于，石英音叉（2-1）由高Q值石英、硅或者氮化铝中的一种材料制作而成。

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