CN109425774B - 一种采用磁电复合材料的易安装电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用磁电复合材料的易安装电流传感器，包括磁环；所述磁环由若干磁芯组装形成，所述敏感元件由磁致伸缩材料层和压电陶瓷材料层组成，其中，磁致伸缩材料层两侧均设置有压电陶瓷材料层；压电陶瓷材料层端部的电极通过导线与信号处理电路连接；信号处理电路对压电陶瓷材料层输出的电压信号处理后送外部设备显示；所述传感器底部设置有支座，支座为具有弹性的薄金属片，薄金属片弯曲成拱形。支座两端的安装部设置有安装孔；当支座承受压力时，拱形薄金属片发生形变，从而调整两个安装孔之间的距离。本发明具有良好的稳定性和高分辨率；操作简单，适用范围广。

Description

一种采用磁电复合材料的易安装电流传感器

技术领域

本发明属于电子检测设备制造技术领域，特别涉及一种电流传感器。

背景技术

传统的电流传感器主要有分流器、电流互感器、霍尔电流传感器等器件。分流器是专门用于电流测量的电阻元件，它可以测量直流以及MHz级的交变电流。但是分流器在使用时需要串联接入电路中，属于接触式测量，一方面，该传感器安装很不方便，影响使用效率，另一方面，由于分流器需要接入电路中才能进行测量，这使得一部分功率会因电阻的发热以热能的形式白白消耗，并且对人身安全难以保障。

电流互感器一般由闭合的软磁磁芯和外围绕组线圈构成，可以把数值较大的一次电流通过线圈匝数变比转换为数值较小的二次电流传送给二次设备进行测量。但是电流互感器只能测量交变电流，并且在较低的磁场下就会饱和，测量范围小；另外，由于线圈的存在，长时间工作会由于线圈发热而引起测量失真。大多数互感器采用闭合式结构，安装时需要事先将被测导线一端从传感器的中心孔穿过，这对于两端都已经接入其他设备的导线来说无法实现测量，同理，拆卸这类传感器也很不方便。

霍尔式电流传感器是将霍尔元件放入开口的软磁磁芯以达到电流探测的目的。霍尔元件在聚集磁路中检测到与原边电流成比例关系的磁通量后输出霍尔电压信号，经放大电路放大后输送到仪表显示或计算机采集。但是霍尔元件是一个有源器件，在使用过程中必须要外加偏置电压以保证它的正常工作，极大地限制了它的适用范围。

大多数传感器具有两个安装孔，而两个安装孔之间的距离是保持不变的，这对于基座上的孔也提出了较高的位置要求；市面上也有开合式结构的传感器，但是这类传感器经多次开合后难以保证聚磁环的完整闭合。

众所周知，磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩应变，而压电陶瓷会在受到应力作用时在两个相对表面产生电压信号。将磁致伸缩材料置于磁场中，可以得到远大于压电陶瓷及其他材料的伸缩量，与压电材料结合可以得到较高的磁电转化效率，所以人们将磁致伸缩材料和压电材料粘结在一起构成层合材料，并将这种层合材料作为敏感元件构成一种较为灵敏的磁传感器。(参考文献：卞雷祥，文玉梅，李平.磁致伸缩/压电叠层复合材料磁-机-电耦合系数分析[J].物理学报，2009，58(6)；4205-4213.)

发明内容

本发明提供一种易安装电流传感器，采用磁致伸缩材料和压电陶瓷材料合成的复合材料作为敏感元件，具有良好的稳定性和高分辨率等优点；传感器外壳采用开合式结构，并且外壳的一部分为楔形结构，多次使用也能保证良好的一致性，测量结果稳定可靠。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种采用磁电复合材料的易安装电流传感器，包括磁环、敏感元件、永磁体以及信号处理电路；所述磁环由若干磁芯组装形成，所述敏感元件由磁致伸缩材料层和压电陶瓷材料层组成，其中，磁致伸缩材料层两侧均设置有压电陶瓷材料层；在某两个相邻的磁芯的端部设置有凹槽，敏感元件置于凹槽内，永磁体设置在敏感元件两侧；压电陶瓷材料层端部的电极通过导线与信号处理电路连接；信号处理电路对压电陶瓷材料层输出的电压信号处理后送外部设备显示；所述传感器底部设置有支座，支座为具有弹性的薄金属片，薄金属片弯曲成拱形。支座两端的安装部设置有安装孔；当支座承受压力时，拱形薄金属片发生形变，从而调整两个安装孔之间的距离。

进一步，敏感元件工作在L-T模式：磁致伸缩材料层沿长度方向振动，压电陶瓷材料层沿厚度方向振动。

进一步，磁环包括依此设置的磁芯一、磁芯二以及磁芯三；其中，磁芯三为楔形结构，镶嵌在磁环中，且其宽度大于磁芯一和磁芯二；用于放置敏感元件的凹槽设置在磁芯一与磁芯二相领的端部，磁芯一、磁芯二以及磁芯三以及敏感元件形成闭合磁环。

进一步，磁芯一、磁芯二以及磁芯三装配在壳体内，其中，磁芯一、磁芯二以及敏感元件安装在壳体一内，磁芯三安装在壳体二内，磁芯一和磁芯二安装在壳体一后形成有缺口的环形结构，壳体二的外形结构为与芯三外形结构相配合楔形，壳体一缺口的端面与壳体二楔形的两个侧面相配合。

进一步，外壳二上设置有安装连接部以及在安装连接部上设置的紧固螺钉，旋紧紧固螺钉可以将外壳二固定在外壳一上。

进一步，在测量前或者测量后，旋松紧固螺钉，取下壳体二，从而从磁环缺口中放入或者取出被测导线

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1、所述传感器采用磁致伸缩/压电陶瓷复合材料作为敏感元件，低频响应好，稳定性好，分辨率高；

2、所述传感器内部没有线圈，长时间工作不会发热，消除了温度升高带来的测量失真；

3、所述传感器属于无源器件，不需要外加偏置电压，适用范围广；

4、开合式结构，且开合处为楔形结构，保证了多次开合后仍具有良好的一致性，不影响磁通聚集的效果；

5、安装孔位置可调，降低了安装时孔的位置要求，增加了安装的方便性，提高了使用效率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的一种可选的电流传感器的原理示意图；

图2是本发明实施例的电流传感器的内部磁芯及敏感元件位置示意图；

图3是本发明实施例的电流传感器的外壳在打开时的结构示意图；

图4是本发明实施例的电流传感器的外壳在闭合时的结构示意图。

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采用磁电复合材料的易安装电流传感器的多种实施方式。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。

本发明提出的电流传感器，包括磁芯、磁致伸缩材料与压电材料层合而成的敏感元件、永磁体、信号处理电路以及外壳。

根据电流的磁效应可知，通电导线(励磁电流导线)的周围都会产生环形磁场，而且该磁场的大小和导线(励磁电流导线)中的电流大小成正比。公式如下：

H＝I/2πr

其中H为环形磁场大小，I为导线电流大小，r为任意点到导线的垂直距离。环形磁场通过磁芯聚集，并对嵌在磁芯内的磁致伸缩/压电层合材料(敏感元件)施加一个磁场。磁电复合材料具有磁电效应，能够将磁信号转化为电信号：磁致伸缩材料在磁场中产生应变，此机械运动通过粘结层传递到压电层，压电层由于压电效应而产生电场，从而实现磁电转换。压电层上的电压信号经放大后输送到仪表显示或计算机采集。

磁致伸缩材料在交变磁场中具有倍频效应：在交变磁场的作用下，磁致伸缩材料的形变输出频率是激励电流频率的2倍。倍频效应会带来一定的非线性影响。故在所述传感器中，永磁体与磁致伸缩材料的相对位置固定，从而对磁致伸缩施加一个固定的偏置磁场以消除倍频效应。

实施例

图1是所述传感器的原理示意图，通电导线从磁环中穿过，根据电流的磁效应可知，在导线周围产生环形磁场，磁环由高磁导率磁芯一31、高磁导率磁芯二32、高磁导率磁芯三33组成，高磁导率磁芯一31与高磁导率磁芯二32相配合的端部开设有凹槽，磁环将磁场聚集，并对凹槽中的敏感元件5施加该环形磁场，敏感元件5中的磁致伸缩材料层在磁场的作用下产生应变，该机械运动通过粘结层传递到压电陶瓷材料层，压电陶瓷材料层感受到应变并输出成比例的电压信号。

该实施例中敏感单元5由磁致伸缩材料层—压电陶瓷材料层—磁致伸缩材料层三层材料粘结而成，且两片磁致伸缩材料层尺寸完全一样，夹在中间的压电陶瓷材料层长度略大于磁致伸缩层，露出的压电陶瓷层的端部便于焊接电极以引出电压信号。磁致伸缩/压电层合材料一般有4种工作模式，综合考虑电压灵敏度、所需偏置磁场大小、系统噪声等因素，该实施例采用L-T工作模式：磁致伸缩材料沿长度方向振动，压电材料沿厚度方向振动。

由于采用L-T工作模式，永磁体4提供的磁场不需要特别大，对于尺寸为12×6×1mm³的磁致伸缩材料，偏置磁场500Oe条件下可以有良好的线性响应，并且有很高的灵敏度。

该实施例中磁芯三33比磁芯一31、磁芯二32具有更宽的尺寸，且形状为楔形。这样可以保证磁芯一31、磁心二32、磁心三33端面磨损后，仍能保持磁芯各个部分的良好接触，而不影响磁通的聚集效果。

图2是根据本发明实施例的一种可选的电流传感器内部磁芯一31、磁心二32、磁心三33和敏感元件5相对位置示意图。如图所示，该传感器包括外壳一1、外壳二2，磁芯一31、磁芯二32粘结在传感器外壳一1的内壁上，磁芯三33粘结在传感器外壳二2的内壁上，待磁芯一31、磁心二32、磁心三33与外壳一1、外壳二2的相对位置固定后，将敏感元件5嵌入磁芯一31和磁心二32相邻端部设置的凹槽中，这样可以使整个磁通路构成闭合的环形通路。敏感元件5两侧分别设置一永磁体4，用于提供偏置磁场。

作为上述实施例的一个优选的具体实施方式，本发明提供的电流传感器外壳一1、外壳二2在打开和闭合时的结构如图3、图4所示。

当传感器内部磁芯一31、磁心二32、磁心三33及敏感元件5如图2所示确定位置后，外壳封盖一11、封盖二21通过轻微的过盈配合分别与外壳一1、外壳二2配合，这样便完成了该传感器的封装。当外壳一1和外壳二2接触并固连时，便形成了一个闭合的环形结构。

在两部分外壳闭合之前，将被测导线通过外壳一1的开口放入环形结构中，然后将外壳二2与外壳一1配合，并通过调整螺钉22调整两部分外壳一1、外壳二2的相对位置，形成一个完整的闭环结构。保持被测电流方向与环形结构所在平面垂直，即可准确测出导线中电流的大小。敏感元件5输出的电压信号可以通过螺钉12处的接线端输出到外部设备进行计算机采集或者显示。

传感器底部的支座6与传感器外壳一1固连，支座6为具有弹性的薄金属片，金属片弯曲成拱形。支座6两端安装部设置有传感器安装孔61，两个安装孔61之间的距离可变。当支座6上方压力变化时，拱形薄金属片发生形变，从而影响两个安装孔61之间的距离。当两个安装孔61之间的距离与被安装器件上的孔距离不一致时，可以通过对支座6施加一定的压力使支座6形变，从而保证安装的顺利进行，需要说明的是，施加的压力并不会对传感器结构造成任何破坏。

Claims (4)

1.一种采用磁电复合材料的易安装电流传感器，其特征在于，包括磁环、敏感元件、永磁体以及信号处理电路；所述磁环由若干磁芯组装形成，所述敏感元件由磁致伸缩材料层和压电陶瓷材料层组成，其中，磁致伸缩材料层两侧均设置有压电陶瓷材料层； 在某两个相邻的磁芯的端部设置有凹槽，敏感元件置于凹槽内，永磁体设置在敏感元件两侧；压电陶瓷材料层端部的电极通过导线与信号处理电路连接；信号处理电路对压电 陶瓷材料层输出的电压信号处理后送外部设备显示；所述传感器底部设置有支座，支座为具有弹性的薄金属片，薄金属片弯曲成拱形，支座两端的安装部设置有安装孔；当支座承受压力时，拱形薄金属片发生形变，从而调整两个安 装孔之间的距离；磁环包括依此设置的磁芯一、磁芯二以及磁芯三；其中，磁芯三为楔形结构，镶嵌在磁环中，且其宽度大于磁芯一和磁芯二；用于放置敏感元件的凹槽设置在磁芯一与磁芯二相领的端部，磁芯一、磁芯二以及磁芯三以及敏感元件形成闭合磁环；磁芯一、磁芯二以及磁芯三装配在壳体内，其中，磁芯一、磁芯二以及敏感元件安装在壳体一内，磁芯三安装在壳体二内，磁芯一和 磁芯二安装在壳体一后形成有缺口的环形结构，壳体二的外形结构为与芯三外形结构相配合楔形，壳体一缺口的端面与壳体二楔形的两个侧面相配合。

2.如权利要求1所述电流传感器，其特征在于，敏感元件工作在L-T模式：磁致伸缩材料层沿长度方向振动，压电陶瓷材料层沿厚度方向振动。

3.如权利要求1所述电流传感器，其特征在于，外壳二上设置有安装连接部以及在安装连接部上设置的紧固螺钉，旋紧紧固螺钉可以将外壳二固定在外壳一上。

4.如权利要求3所述电流传感器，其特征在于，在测量前或者测量后，旋松紧固螺钉，取下壳体二，从而从磁环缺口中放入或者取出被测导线。

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