CN109425775A - 一种采用磁电复合材料的手持式电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用磁电复合材料的手持式电流传感器。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。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手持式电流传感器

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，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。

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。

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。

发明内容

本发明提供一种电流传感器，采用磁致伸缩材料和压电陶瓷层合而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；传感器外壳采用开合式手持结构，操作简单，适用范围广。

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手持式电流传感器，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。

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，磁环包括高磁导率磁芯一、高磁导率磁芯二以及高磁导率磁芯三；其中，高磁导率磁芯二以及高磁导率磁芯三安装在L形壳体一内，高磁导率磁芯一安装在壳体二内，壳体二可沿壳体一长边滑动，从而使高磁导率磁芯一与高磁导率磁芯二和高磁导率磁芯三闭合形成磁环。

进一步，L形外壳一的长边上设置有平行导轨，外壳二上设置有与平行导轨相配合的卡口，使外壳一套装在外壳二的长边上，壳二可以沿平行导轨滑动。

进一步，外壳二上设置有紧固螺钉，旋紧紧固螺钉可以使其抵紧外壳一，从而限制外壳二与外壳一相对运动。

进一步，在测量前或者测量后，旋松紧固螺钉，滑动外壳二使高磁导率磁芯一远离高磁导率磁芯二和高磁导率磁芯三，从而从磁环缺口中放入或者取出被测导线。

进一步，经嵌在外壳一上的信号处理电路安装在外壳一上，外壳一的壳体上设置有走线槽，用于放置连接敏感单元、信号处理电路以及外部设备的导线。

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/压电层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，长时间工作也不会发热，消除了温度变化带来的测量失真；

3、所述传感器属于无源器件，不需要外加激励电源工作，适用范围广；

4、所述传感器零件少，装配方便，保证了传感器具有良好的一致性，结构简单，体积小巧，

5、使用方便，测量时可以手持传感器，另外，测量时不需要导线中心和磁环中心重合，大大增加了使用的方便性。

附图说明

图1是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完整结构示意图；

图3是本发明实施例的电流传感器的正面结构示意图(无外壳封盖)；

图4是本发明实施例的电流传感器的反面结构示意图(无外壳封盖)；

图5是本发明实施例的电流传感器外壳闭合的示意图。

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手持式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。

根据实施例为一种电流传感器的实施例。

图1是所述传感器的原理示意图，通电导线从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组成的磁环中穿过，根据电流的磁效应可知，在导线周围产生环形磁场，磁环将磁场聚集，并对凹槽中的磁致伸缩材料5施加该环形磁场，磁致伸缩材料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层，压电陶瓷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。综合考虑电压灵敏度、所需偏置磁场大小、系统噪声等因素，该实施例中敏感单元5采用L-T工作模式：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。

由于采用L-T工作模式，永磁体4提供的偏置磁场不需要特别大，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。

图2是根据本发明实施例的一种可选的电流传感器的完整结构示意图，如图所示，该电流传感器包括外壳一1和外壳二2，以及高磁导率磁芯一31、高磁导率磁芯二32、高磁导率磁芯三33等部分。

高磁导率磁芯一31、高磁导率磁芯二32、高磁导率磁芯三33封装在外壳的两部分中，以满足开合式的要求。外壳一1为L形及结构，在其长边上设置有平行导轨12，高磁导率磁芯二32和高磁导率磁芯三33安装在外壳一1中，高磁导率磁芯一31安装在外壳二2内，外壳二2上设置有与平行导轨12相配合的卡口，使外壳一1套装在外壳二2上后，外壳二2可以沿平行导轨12滑动。当外壳二2沿平行导轨12滑动活动到测量所位置时，外壳二2内部的高磁导率磁一31与外壳一1内部的高磁导率磁芯二32和高磁导率磁芯三33形成磁环。此时，旋紧外壳二2的紧固螺钉22以抵紧外壳一1，相对运动被限制。在测量前或者测量后，为了把导线放入或者取出磁环，可旋松外壳二2的紧固螺钉22，然后滑动外壳二2，使高磁导率磁芯一31远离高磁导率磁芯二32和高磁导率磁芯三33，从而从磁环缺口中放入或者取出导线。

高磁导率磁芯二32与高磁导率磁芯三33相临近的端部设置有凹槽，敏感元件5嵌在凹槽中，在敏感元件5两侧还分别放置一永磁体4以提供偏置磁场。当被测导线电流产生激励磁场时，敏感元件5输出电压信号，经嵌在外壳1上的信号处理电路14对该电压信号进行放大、调制解调、滤波后获得可供后续设备读取的电压信号，再输出到外部设备以记录或显示。外壳一上的长引线槽13是用于包纳敏感元件5与信号放大电路14之间的导线的，同时，长引线槽13也具有减小两部分外壳1、2的接触面积，减小摩擦的作用。

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内部高磁导率磁芯一31、高磁导率磁芯二32、高磁导率磁芯三33及敏感元件5的布置可以如图3、图4所示。具体地，高磁导率磁芯一31固定在外壳二2的内壁中，并且保证高磁导率磁芯一31的两端面与外壳外表面平齐；高磁导率磁芯二32、高磁导率磁芯三33固定在外壳一1的内壁中，同样保证高磁导率磁芯二32、高磁导率磁芯三33端面与外壳外表面平齐；磁芯位置固定好之后，将敏感元件5嵌入高磁导率磁芯二32与高磁导率磁芯三33端部的凹槽中，再把永磁体4也固定在外壳1的内壁中，然后用封盖一11、封盖二21封装所述高磁导率磁芯二32、高磁导率磁芯三33及敏感元件5。滑动辅助部件23在外壳封盖21与外壳配合好之后，再用螺钉与外壳2配合。整个传感器便完成了装配。

当外壳二2滑动到极限位置时，外壳一1和外壳二2恰好构成一个闭合的环形结构，内部磁芯31、32、33也恰好构成一个闭合的环形结构，如图5所示。

在两部分外壳1、2构成闭环之前，将被测导线通过开口放入环形结构中心，然后滑动外壳2形成闭环结构。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。输出的电压信号经信号处理电路14放大、调制解调、滤波后输入到外部设备，便可以用于显示或计算机采集。

另外，外壳一1的长直部分在测量时可以作为一个手柄供技术人员握持，充分利用了传感器的结构特点，减小了传感器的体积和耗材。

Claims (7)

1.一种采用磁电复合材料的手持式电流传感器，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。

2.如权利要求1所述采用磁电复合材料的手持式电流传感器，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或者2所述采用磁电复合材料的手持式电流传感器，其特征在于，磁环包括磁芯一、磁芯二以及磁芯三；其中，磁芯二以及磁芯三安装在L形壳体一内，磁芯一安装在壳体二内，壳体二可沿壳体一长边滑动，从而使磁芯一、磁芯二和磁芯三闭合形成磁环，沿壳体一长边同时作为把手。

4.如权利要求3所述采用磁电复合材料的手持式电流传感器，其特征在于，L形外壳一的长边上设置有平行导轨，外壳二上设置有与平行导轨相配合的卡口，使外壳一套装在外壳二的长边上，壳二可以沿平行导轨滑动。

5.如权利要求4所述采用磁电复合材料的手持式电流传感器，其特征在于，外壳二上设置有紧固螺钉，旋紧紧固螺钉可以使其抵紧外壳一，从而限制外壳二与外壳一相对运动。

6.如权利要求5所述采用磁电复合材料的手持式电流传感器，其特征在于，在测量前或者测量后，旋松紧固螺钉，滑动外壳二使磁芯一远离磁芯二和磁芯三，从而从磁环缺口中放入或者取出被测导线。

7.如权利要求6所述采用磁电复合材料的手持式电流传感器，其特征在于，经嵌在外壳一上的信号处理电路安装在外壳一上，外壳一的壳体上设置有走线槽，用于放置连接敏感单元、信号处理电路以及外部设备的导线。