CN110470880B - 一种电流传感器探头、其制备方法及包括其的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电流传感器探头，包括一叠层结构，该叠层结构包括：至少一磁致伸缩材料层；与磁致伸缩材料层叠层设置的至少一压电陶瓷材料层；设置于压电陶瓷材料层的极化面，用于提供压电陶瓷材料层的极化电极和电流传感器探头的输出电极的导电膜层；及设置于叠层结构的最外层，用于提供偏置磁场的偏置永磁体层。本发明还公开了一种制作该电流传感器探头的方法及包括该电流传感器探头的电流传感器。本发明针对目前霍尔传感器的外形尺寸较大，或者需要装配在特定的位置以及绝缘性差等弱点，提出采用压电陶瓷材料和磁致伸缩材料制备电流传感器探头，从而降低传感器尺寸、方便在固定电流传输线上安装并提高电流传感器探头的安全性。

Description

一种电流传感器探头、其制备方法及包括其的传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域。更具体地，涉及一种电流传感器探头、其制备方法及包括其的传感器。

背景技术

电力系统是指由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。随着科学技术的发展，现代电力系统普遍地具有大容量、高电压、小型紧凑以及输配电系统自动化等特点。基于这些特点，检测技术，特别是电流传感器检测技术在保障系统正常运行方面具有重要的意义。

目前，电力系统中要求具有高灵敏度、高分辨率和良好稳定性与可靠性的高性能电流传感技术，主要包括：

(1)光纤电流传感器

光纤电流传感器应用磁光效应，具有高灵敏度、无需供电、稳定性好等优点。但是，光纤电流传感器输出灵敏度受外界温度、光纤本身的双折射及入射偏振面位置的影响极大，且实际应用时组建通信网络需要铺设大量光纤路网，施工困难，同时，光学调制器和接收处理终端精密度高，技术难度较大，成本高。

(2)霍尔电流传感器

霍尔电流传感器包括具有一部分含有空隙的闭合磁路的环状磁芯部和用于检测该磁芯部的空隙所产生的磁场的磁通量的磁环检测部。霍尔电流传感器广泛应用于UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大电流、电压等各个领域中。为了在磁芯部的空隙中取得均匀分布的磁场，需要将磁芯部的外形尺寸设定为较大尺寸，或者需要将磁检测部装配在特定的位置，因此使用时，要么会使传感器整体大型化，成本增加，要么在安装磁检测部分时自由度低，磁力分布不均、传感器安装困难。

在实际操作过程中，虽然现有技术中的电流传感器已经可以成功用于电流的检测和控制，并通过对具体应用环境的个性化设计部分避免了传感器的弱点，但是现有技术中对于已经固定好的电流传输线仍旧存在安装困难、绝缘性差等弱点。如果能够采用体积小、重量轻、自身具有绝缘性的传感器探头，则有望部分替代现有传感器并降低成本和安装难度。

因此，需要提供一种电流传感器探头、其制备方法及包括其的传感器。

发明内容

为了解决上述问题的至少之一，本发明的一个目的在于提供一种电流传感器探头。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种电流传感器探头，包括一叠层结构，该叠层结构包括：

至少一压电陶瓷材料层，设置为第一环形层结构，第一环形层结构包括第一扇形缺口；

与压电陶瓷材料层叠层设置的至少一磁致伸缩材料层，设置为第二环形层结构，第二环形层结构包括第二扇形缺口；

导电膜层，设置为第三环形层结构，第三环形层结构包括第三扇形缺口，导电膜层设置于压电陶瓷材料层的极化面，用于提供压电陶瓷材料层的极化电极和电流传感器探头的输出电极；及

偏置永磁体层，设置为第四环形层结构，第四环形层结构包括第四扇形缺口，偏置永磁体设置于叠层结构的最外层，与磁致伸缩材料层形状相同，用于提供偏置磁场；

其中，第一扇形缺口、第二扇形缺口、第三扇形缺口和第四扇形缺口对应设置。

优选地，磁致伸缩材料层为铁氧体材料、稀土超磁致伸缩材料、铁镓合金、铁钴合金和/或铁镍合金材料中的一种或多种；

压电陶瓷材料层为BaTiO₃，PZT或PMN-PT；及

偏置永磁体层为稀土永磁材料、铁氧体永磁材料或铝镍钴永磁材料。

优选地，第一扇形缺口包括以第一环形层结构的圆心为顶点，以第一扇形缺口两侧边为边的第一扇形缺口张角；

第二扇形缺口包括以第二环形层结构的圆心为顶点，以第二扇形缺口两侧边为边的第二扇形缺口张角；

其中，第二扇形缺口张角小于或等于第一扇形缺口张角。

进一步优选地，第一扇形缺口张角和第二扇形缺口张角的范围是0.01度至60度。

优选地，第一环形层结构具有由第一环形层结构的第一外径和第一内径限定的第一宽度，第二环形层结构具有由第二环形层结构的第二外径和第二内径限定的第二宽度，第一宽度大于或等于第二宽度。

优选地，当磁致伸缩材料层与压电陶瓷材料层的总层数大于或等于三层时，磁致伸缩材料层与压电陶瓷材料层交替设置。

优选地，导电膜层的厚度范围为5纳米至50纳米。

优选地，电流传感器探头还包括护盒，叠层结构设置于护盒中，护盒用于固定电流传感器探头的导线。

本发明的另一个目的在于提供一种电流传感器探头的制备方法。

一种电流传感器探头的制备方法，包括：

设置至少一压电陶瓷材料层，压电陶瓷材料层设置为第一环形层结构，第一环形层结构包括第一扇形缺口；

与压电陶瓷材料层叠层设置至少一磁致伸缩材料层，磁致伸缩材料层设置为第二环形层结构，第二环形层结构包括第二扇形缺口；

在压电陶瓷材料层的极化面设置导电膜层，用于提供压电陶瓷材料层的极化电极和电流传感器探头的输出电极，导电膜层设置为第三环形层结构，第三环形层结构包括第三扇形缺口；

在叠层结构的最外层设置偏置永磁体层，设置偏置永磁体层与磁致伸缩材料层形状相同，用于提供偏置磁场，偏置永磁体层设置为第四环形层结构，第四环形层结构包括第四扇形缺口；

其中，第一扇形缺口、第二扇形缺口、第三扇形缺口和第四扇形缺口对应设置。

本发明的再一个目的在于提供一种包括上述电流传感器探头的传感器，该电流传感器包括上述任一项中的电流传感器探头。

本发明的有益效果如下：

本发明针对目前霍尔传感器的外形尺寸较大，或者需要装配在特定的位置以及绝缘性差等弱点，提出采用压电陶瓷材料和磁致伸缩材料制备电流传感器探头及包括该探头的传感器，从而降低传感器尺寸、方便在固定电流传输线上安装并提高电流传感器探头的安全性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中一种电流传感器探头结构示意图。

图2示出本发明实施例中另一电流传感器探头结构示意图。

图3示出本发明实施例中又一电流传感器探头结构示意图。

图4示出本发明实施例中电流传感器探头对交流电的响应曲线示意图。

图5示出本发明实施例中电流传感器探头对直流电的响应曲线示意图。

图中，

1、压电陶瓷材料层；2、磁致伸缩材料层；3、导电膜层；4、永磁体层

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

应注意的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

本发明公开一种电流传感器探头，包括一叠层结构，该叠层结构包括：至少一压电陶瓷材料层，设置为第一环形层结构，第一环形层结构包括第一扇形缺口；与压电陶瓷材料层叠层设置的至少一磁致伸缩材料层，设置为第二环形层结构，第二环形层结构包括第二扇形缺口；导电膜层，设置为第三环形层结构，第三环形层结构包括第三扇形缺口，导电膜层设置于压电陶瓷材料层的极化面，用于提供压电陶瓷材料层的极化电极和电流传感器探头的输出电极；及偏置永磁体层，设置为第四环形层结构，第四环形层结构包括第四扇形缺口，偏置永磁体设置于叠层结构的最外层，与磁致伸缩材料层形状相同，用于提供偏置磁场；其中，第一扇形缺口、第二扇形缺口、第三扇形缺口和第四扇形缺口对应设置。

本发明还公开了一种电流传感器探头的制作方法，包括设置至少一压电陶瓷材料层，压电陶瓷材料层设置为第一环形层结构，第一环形层结构包括第一扇形缺口；与压电陶瓷材料层叠层设置至少一磁致伸缩材料层，磁致伸缩材料层设置为第二环形层结构，第二环形层结构包括第二扇形缺口；在压电陶瓷材料层的极化面设置导电膜层，用于提供压电陶瓷材料层的极化电极和电流传感器探头的输出电极，导电膜层设置为第三环形层结构，第三环形层结构包括第三扇形缺口；在叠层结构的最外层设置偏置永磁体层，设置偏置永磁体层与磁致伸缩材料层形状相同，用于提供偏置磁场，偏置永磁体层设置为第四环形层结构，第四环形层结构包括第四扇形缺口；其中，第一扇形缺口、第二扇形缺口、第三扇形缺口和第四扇形缺口对应设置。

本发明还公开了一种包括上述电流传感器探头的电流传感器。

本发明针对目前霍尔传感器的外形尺寸较大，或者需要装配在特定的位置以及绝缘性差等弱点，提出采用压电陶瓷材料和磁致伸缩材料制备电流传感器探头及电流传感器，从而降低传感器尺寸、方便在固定电流传输线上安装并提高电流传感器探头的安全性。

下面结合具体实施例进行说明

图1所示，一种电流传感器探头，该电流传感器探头设置为压电陶瓷与磁致伸缩材料呈现叠层结构，包括：压电陶瓷材料层1、磁致伸缩材料层2、导电膜层3、偏置永磁体层4以及护盒(图中未示出)。

整体上，电流传感器探头为具有缺口的片状C形，即环形层结构中的扇形缺口。具体地，

压电陶瓷材料层1的材料为BaTiO₃，PZT，PMN-PT等具有压电效应的陶瓷材料。

磁致伸缩材料层2的材料为铁氧体材料、稀土超磁致伸缩材料、铁镓合金、铁钴合金、铁镍合金等具有磁致伸缩效应的材料。具体地，磁致伸缩材料层为铁氧体材料、稀土超磁致伸缩材料、铁镓合金、铁钴合金和/或铁镍合金材料中的一种或多种。应说明的是，这里可以是几种材料的组合，但是同一层中最好是同一中材料，不同层可以是不同的材料。比如，在图1的标号2有两层，其中一层可以是铁氧体，另一层就可以是铁镓合金。

本发明实施例中，压电陶瓷的压电效应、弹性模量与磁致伸缩材料的磁导率、弹性模量以及待测电流的特性进行材料匹配并选择合适几何尺寸。

例如，对于小电流的检测，可选择高压电系数的PMN-PT材料与高磁导率的铁镍合金，且铁镍合金的厚度大于PMN-PT的厚度，另外扇形缺口的尺寸尽量小。而对于大电流的检测可采用稀土超磁致伸缩材料和锆钛酸铅配合，扇形缺口可以大一些。应理解的是，扇形缺口的大小主要针对磁致伸缩材料，压电陶瓷材料对缺口大小要求不高，例如陶瓷缺口的尺寸可以大于磁致伸缩材料缺口的尺寸，如图2所示。

在一个优选实施例中，C形磁致伸缩材料的宽度可以等于或小于压电陶瓷材料的宽度，以便增加探头的绝缘性能，如图3所示。

本发明实施例中，压电陶瓷材料层1的极化面具有导电膜层3用作压电陶瓷的极化电极和传感器的输出电极。

偏置永磁体层4的永磁材料为稀土永磁、铁氧体永磁、铝镍钴永磁等充过磁的永磁材料。本发明实施例中，偏置永磁体层4与磁致伸缩材料层2的形状相同，用于提供偏置磁场，将传感器的工作点偏置到磁致伸缩曲线的线性部分的中间。

本发明中电流传感器探头可以放入护盒中用于保护探头并限定电流传输线处于C形探头的圆心。

在一个优选实施例中，磁致伸缩材料层1和压电陶瓷材料层2可以包括至少一层。例如两层耦合结构、三明治结构及多层结构，其中两层耦合为一层压电陶瓷材料和一层磁致伸缩材料耦合，三明治结构为两层陶瓷材料夹一层磁致伸缩材料或者两层磁致伸缩材料夹一层压电陶瓷材料，多层结构为压电陶瓷材料与磁致伸缩材料交替排列。

在一个优选实施例中，C形缺口为从圆心张开的角度，角度大于0.01度小于60度。

在一个优选实施例中，导电膜层的厚度为5nm到50nm。

本发明的电流传感器探头精度高、质量轻、安全性高、自身具有绝缘性、适用于直流电流和交流电流的感知以及测量。

进一步地，在示例1中，压电陶瓷材料为钛酸钡，直接通过压型烧结制备成C形，其中扇形缺口的角度为1度。采用铁镓合金作为磁致伸缩材料，将铁镓合金沿轴向定向凝固并通过线切割加工成C形，其中扇形缺口的角度为1度。钛酸钡的内径为20mm，外径为28mm厚度1mm，铁镓合金的内径为20mm，外径为28mm厚度0.8mm，以银作为导电薄膜将钛酸钡极化。通过线切割将钕铁硼永磁体加工成C形，其中扇形缺口的角度为1度，内径为20mm，外径为28mm厚度0.5mm，垂直于环面充磁，表面磁场为300Oe。用导电银胶将钛酸钡和铁镓粘接在一起，形成双层结构的电流传感器探头，两片钕铁硼永磁铁吸附在传感器探头的两侧得到具有偏置磁场的传感器探头。该传感器探头对交流电的响应曲线如图4所示，该探头对直流电流的响应如图5所示。

进一步地，在示例2中，压电陶瓷材料为锆钛酸铅，通过压型烧结制备成C形，其中扇形缺口的角度为30度。采用铁钴合金作为磁致伸缩材料，将铁钴合金线切割加工成C形，其中扇形缺口的角度为5度。锆钛酸铅的内径为20mm，外径为28mm厚度1mm，铁钴合金的内径为20mm，外径为28mm厚度0.8mm，以镍作为导电薄膜将锆钛酸铅极化。通过线切割将钕铁硼永磁体加工成C形，其中扇形缺口的角度为5度，内径为20mm，外径为28mm厚度0.5mm，垂直于环面充磁，表面场为300Oe。用环氧树脂将锆钛酸铅和铁钴粘接在一起，形成双层结构的电流传感器探头，两片钕铁硼永磁铁吸附在传感器探头的两侧得到具有偏置磁场的传感器探头。该传感器探头对交流电和直流电的响应曲线也为直线，与示例1类似，但是直线斜率小于示例1。

本发明另一个实施例中还提供一种电流传感器探头的制备方法，包括：将磁致伸缩材料和压电陶瓷材料加工成C形；在压电陶瓷极化面镀导电薄膜；采用环氧树脂、导电胶或者钎焊等方法将磁致伸缩材料与压电陶瓷材料结合到一起；偏置磁铁可以吸附到探头上，也可以用柔性胶粘接到探头上，从而将探头的工作点定在磁致伸缩材料磁致伸缩曲线线性区域的中间；可以根据实际情况制作护盒，既可以保护探头又能将探头与电流传输线的位置固定。

压电陶瓷材料为BaTiO₃，PZT，PMN-PT等具有压电效应的陶瓷材料，压电陶瓷材料压成C形或者机加工成C形。磁致伸缩材料为铁氧体材料、稀土超磁致伸缩材料、铁镓合金、铁钴合金、铁镍合金等具有磁致伸缩效应的材料，磁致伸缩材料机加工成C形。压电陶瓷的极化面具有导电膜层用作输出电极。永磁体机加工成与磁致伸缩材料形状相同。压电陶瓷材料的宽度可以大于磁致伸缩材料的宽度，用于提供探头的绝缘性能。探头可以放入护盒中用于保护探头并限定电流传输线处于C形探头的圆心。探头也可以不用放入保护盒中。两层耦合是一层压电陶瓷材料和一层磁致伸缩材料耦合在一起，三明治结构为两层陶瓷材料夹一层磁致伸缩材料或者两层磁致伸缩材料夹一层压电陶瓷材料，多层结构为压电陶瓷材料与磁致伸缩材料交替排列。C形缺口的形状为从圆心张开的角度，角度大于0.01度小于60度，压电陶瓷材料的缺口可以等于或者大于磁致伸缩材料的缺口。采用磁控溅射等薄膜制备方法制备导电膜层，导电膜层的厚度为5nm到50nm。永磁材料层为稀土永磁、铁氧体永磁、铝镍钴永磁等经过磁化的永磁材料，永磁材料表面场的大小与磁致伸缩材料的磁致伸缩曲线的线性区域中点所对应的磁化场相同。

本发明另一个实施例中还提供一种电流传感器，该电流传感器包括应用上述电流传感器探头制作方法制作的电流传感器，相同的结构及特征在此不再赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种电流传感器探头，其特征在于，包括一叠层结构，所述叠层结构包括：

至少一压电陶瓷材料层，设置为第一环形层结构，所述第一环形层结构包括第一扇形缺口；

与所述压电陶瓷材料层叠层设置的至少一磁致伸缩材料层，设置为第二环形层结构，所述第二环形层结构包括第二扇形缺口；

导电膜层，设置为第三环形层结构，所述第三环形层结构包括第三扇形缺口，所述导电膜层设置于所述压电陶瓷材料层的极化面，用于提供所述压电陶瓷材料层的极化电极和所述电流传感器探头的输出电极；及

偏置永磁体层，设置为第四环形层结构，所述第四环形层结构包括第四扇形缺口，所述偏置永磁体层 设置于所述叠层结构的最外层，与所述磁致伸缩材料层形状相同，用于提供偏置磁场；

其中，所述第一扇形缺口、所述第二扇形缺口、所述第三扇形缺口和所述第四扇形缺口对应设置；

所述第一扇形缺口包括以所述第一环形层结构的圆心为顶点，以所述第一扇形缺口两侧边为边的第一扇形缺口张角；

所述第二扇形缺口包括以所述第二环形层结构的圆心为顶点，以所述第二扇形缺口两侧边为边的第二扇形缺口张角；

其中，所述第二扇形缺口张角小于或等于所述第一扇形缺口张角。

2.根据权利要求1所述的电流传感器探头，其特征在于，

所述磁致伸缩材料层为铁氧体材料、稀土超磁致伸缩材料、铁镓合金、铁钴合金和/或铁镍合金材料中的一种或多种；

所述压电陶瓷材料层为BaTiO₃，PZT或PMN-PT；及

所述偏置永磁体层为稀土永磁材料、铁氧体永磁材料或铝镍钴永磁材料。

3.根据权利要求1所述的电流传感器探头，其特征在于，所述第一扇形缺口张角和所述第二扇形缺口张角的范围是0.01度至60度。

4.根据权利要求1所述的电流传感器探头，其特征在于，所述第一环形层结构具有由所述第一环形层结构的第一外径和第一内径限定的第一宽度，所述第二环形层结构具有由所述第二环形层结构的第二外径和第二内径限定的第二宽度，所述第一宽度大于或等于所述第二宽度。

5.根据权利要求1所述的电流传感器探头，其特征在于，当所述磁致伸缩材料层与所述压电陶瓷材料层的总层数大于或等于三层时，所述磁致伸缩材料层与所述压电陶瓷材料层交替设置。

6.根据权利要求1所述的电流传感器探头，其特征在于，所述导电膜层的厚度范围为5纳米至50纳米。

7.根据权利要求1所述的电流传感器探头，其特征在于，所述电流传感器探头还包括护盒，所述叠层结构设置于所述护盒中，所述护盒用于固定所述电流传感器探头的导线。

8.一种电流传感器探头的制备方法，其特征在于，包括：

设置至少一压电陶瓷材料层，所述压电陶瓷材料层设置为第一环形层结构，所述第一环形层结构包括第一扇形缺口；

与所述压电陶瓷材料层叠层设置至少一磁致伸缩材料层，所述磁致伸缩材料层设置为第二环形层结构，所述第二环形层结构包括第二扇形缺口；

在所述压电陶瓷材料层的极化面设置导电膜层，用于提供所述压电陶瓷材料层的极化电极和所述电流传感器探头的输出电极，所述导电膜层设置为第三环形层结构，所述第三环形层结构包括第三扇形缺口；

在叠层结构的最外层设置偏置永磁体层，设置所述偏置永磁体层与所述磁致伸缩材料层形状相同，用于提供偏置磁场，所述偏置永磁体层设置为第四环形层结构，所述第四环形层结构包括第四扇形缺口；

其中，所述第一扇形缺口、所述第二扇形缺口、所述第三扇形缺口和所述第四扇形缺口对应设置。

9.一种电流传感器，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项的电流传感器探头。

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