CN110672906A - 一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器 - Google Patents

一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器，包括两个敏感单元、固定块；所述敏感单元包括磁致伸缩/压电复合材料、高度调整框、底板、偏置片、垫块、信号输出线、导线；偏置片设置在高度调整框一端，底板设置在另一端，三者形成一个密闭空腔；磁致伸缩/压电复合材料设置在密闭空腔内，底板上固定有垫块；磁致伸缩/压电复合材料包括上下两层的磁致伸缩材料和位于中层的压电材料；压电材料上设有信号输出线和导线；两个敏感单元的压电材料通过导线相连；偏置片采用磁性材料；高度调整框、底板、垫块、固定块均采用非金属材料；所述固定块设置在两个敏感单元，且两个敏感单元相对固定块对称布置。本发明可对通电交流直导线中进行精确测量。

Description

一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器
技术领域
本发明属于电磁检测装置领域，特别是一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器。
背景技术
电流测量在电子设备及电路系统中起到检测、控制、保护的重要作用，电流传感器作为主要的检测元件，具有广泛的应用范围。目前常用的非接触式电流传感器有霍尔电流传感器、磁通门电流传感器和巨磁阻电流传感器，其中磁通门电流传感器和巨磁阻电流传感器测量精度高，但检测机构复杂，且几种电流传感器均需要外部电源供电，限制了其适用范围。而采用磁致伸缩/压电复合材料制备的电流传感器结构简单，制备容易，无需电源供给，磁电电压系数高，近十多年得到了蓬勃发展。
然而磁致伸缩/压电复合材料对温度十分敏感，极易受到温度变化的影响而发生形变，使采用磁致伸缩/压电复合材料制备的电流传感器产生测量误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器，以实现消除温度变化对采用磁致伸缩/压电复合材料制备的电流传感器的误差影响，对通电交流直导线中的交流电流进行精确测量。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器，包括两个敏感单元、固定块；所述敏感单元包括磁致伸缩/压电复合材料、高度调整框、底板、偏置片、垫块、信号输出线、导线；所述偏置片设置在高度调整框一端，所述底板设置在高度调整框另一端，三者形成一个密闭空腔；所述磁致伸缩/压电复合材料设置在密闭空腔内，且所述底板上固定有垫块；所述磁致伸缩/压电复合材料包括上下两层的磁致伸缩材料和位于中层的压电材料；所述压电材料上设有信号输出线和导线；两个敏感单元的压电材料通过导线相连；所述偏置片采用磁性材料，用于提供偏置磁场；所述高度调整框用于调整偏置片与磁致伸缩/压电复合材料之间的距离；所述高度调整框、底板、垫块、固定块均采用非金属材料；所述固定块设置在两个敏感单元，用于夹持通电交流直导线，且两个敏感单元相对固定块对称布置。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明用于测量通电交流直导线的差分电流传感器的结构，实现了敏感单元的自偏置，通过差分结构设计，消除了温度变化对采用磁致伸缩/压电复合材料制备的电流传感器的误差影响，实现了采用磁致伸缩/压电复合材料制备的电流传感器对通电交流直导线测量的准确度的提高。
附图说明
图1为本发明实施例的一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器结构示意图；
图2为本发明实施例的敏感单元结构示意图；
图3为本发明实施例的敏感单元封装后结构示意图；
图4为本发明实施例的磁致伸缩/压电复合材料结构示意图；
图5为施加偏置磁场使磁致伸缩/压电复合材料工作于线性区原理图；
图6为测量电流时两磁致伸缩/压电复合材料极化方向原理示意图；
图7为温度变化时两磁致伸缩/压电复合材料极化方向原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1、图2，本发明的一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器，包括两个敏感单元、固定块5；所述敏感单元包括磁致伸缩/压电复合材料1、高度调整框2、底板3、偏置片4、垫块31、信号输出线41、导线42；所述偏置片4设置在高度调整框2一端，所述底板3设置在高度调整框2另一端，三者形成一个密闭空腔；所述磁致伸缩/压电复合材料1设置在密闭空腔内，且所述底板3上固定有垫块31；由于磁致伸缩/压电复合材料1厚度过小，难以在侧面实现固定，因此所述磁致伸缩/压电复合材料1固定在垫块31上，使磁致伸缩/压电复合材料1处于中间夹持的固定状态，防止工作时磁致伸缩/压电复合材料1在密闭空腔内发生偏移，保证电流传感器工作的稳定性，并且减少磁致伸缩/压电复合材料1工作时与底板3的摩擦，保证了输出信号的最大化。所述磁致伸缩/压电复合材料1包括上下两层的磁致伸缩材料11和位于中层的压电材料12；所述压电材料上设有信号输出线41和导线42；两个敏感单元的压电材料通过导线42相连；所述偏置片4采用磁性材料，用于提供偏置磁场；所述高度调整框2用于调整偏置片4与磁致伸缩/压电复合材料1之间的距离，以控制偏置片4施加在磁致伸缩/压电复合材料1上的偏置磁场的大小，使磁致伸缩/压电复合材料1在测量通电交流直导线能够有信号输出。所述高度调整框2、底板3、垫块31、固定块5均采用非金属材料，防止材料导磁改变通电交流直导线产生的磁场线分布，确保电流传感器测量结果的准确度。所述固定块5设置在两个敏感单元，用于夹持通电交流直导线，同时使导线位于两个敏感单元正中间；且两个敏感单元相对固定块5对称布置。
进一步的，所述底板3上设有两个电极32；两个电极32贯穿底板3并进行密封；所述信号输出线41和导线42分别与两个电极32内侧相连，电极32外侧再连接相应的信号输出线和导线。且两个敏感单元的电极32位于同一侧，使电流传感器在测量通电交流直导线时，两敏感单元中的磁致伸缩/压电复合材料1受到的由电流产生的作用磁场方向相反，满足本发明差分结构设计的基本要求。通过两个电极32进行信号输出线41和导线42的转接，避免使用过程中，信号输出线41和导线42拉扯对磁致伸缩/压电复合材料1产生偏移或破坏。
进一步的，为了便于信号输出线41和导线42的连接，所述压电材料的长度要大于上下两侧磁致伸缩材料的长度。优选的，压电材料长度比磁致伸缩材料长2-3mm，用于焊接信号输出线41和导线42。
进一步的，固定块5包括上夹持块51、下夹持块52；所述上夹持块51、下夹持块52分别与两个敏感单元固定；上夹持块51和下夹持块52中间分别设有半圆形夹持孔；上夹持块51和下夹持块52合并形成一个完整的圆形夹持孔54，便于对通电交流直导线的夹持。
进一步的，所述上夹持块51和下夹持块52之间还设有铰接座53，便于上夹持块51和下夹持块52之间的翻转固定。
优选的，所述磁致伸缩/压电复合材料1的上下两层的磁致伸缩材料11和位于中层的压电材料12通过胶水粘结；所述垫块31的两个端面分别用胶水粘结在磁致伸缩/压电复合材料1和底板3的中间位置；所述高度调整框2的上下两端面通过胶水分别与偏置片4、底板3相粘结。
本发明的差分电流传感器的测试原理为：偏置片4提供偏置磁场，使磁致伸缩/压电复合材料1工作在磁电特性曲线的线性区，结合图5，两敏感单元位于通电交流直导线两侧，交流电流磁场H作用在两敏感单元中的磁致伸缩材料11上，在交流电流磁场的作用下，磁致伸缩材料11产生应变，此机械运动通过粘结层传递到压电材料12上，由于正压电效应，压电材料12输出一个电信号，由于作用在两磁致伸缩/压电复合材料1上的交流电流磁场方向相反，两磁致伸缩/压电复合材料1沿长度方向发生反向形变，一个伸长另一个缩短，因此两压电材料12输出的电信号极化方向相反，通过导线42连接两压电材料12的异性电极，两个敏感单元的信号输出线41输出两倍于单个敏感单元的电信号，实现了电流传感器的灵敏度倍增，提高了传感器灵敏度；结合图6，当环境温度升高时，两磁致伸缩/压电复合材料1沿长度方向发生同向形变，同时伸长，因此两压电材料12输出的电信号极化方向相同，导线42连接两端输出同性电荷，相互抵消，因此由温度变化产生的电信号不会通过信号输出线41输出，温度降低时亦然，实现了消除温度变化对采用磁致伸缩/压电复合材料制备的电流传感器的误差影响。

Claims (8)

1.一种用于测量通电交流直导线的差分电流传感器，其特征在于，包括两个敏感单元、固定块(5)；所述敏感单元包括磁致伸缩/压电复合材料(1)、高度调整框(2)、底板(3)、偏置片(4)、垫块(31)、信号输出线(41)、导线(42)；所述偏置片(4)设置在高度调整框(2)一端，所述底板(3)设置在高度调整框(2)另一端，三者形成一个密闭空腔；所述磁致伸缩/压电复合材料(1)设置在密闭空腔内，且所述底板(3)上固定有垫块(31)；所述磁致伸缩/压电复合材料(1)包括上下两层的磁致伸缩材料(11)和位于中层的压电材料(12)；所述压电材料上设有信号输出线(41)和导线(42)；两个敏感单元的压电材料通过导线(42)相连；所述偏置片(4)采用磁性材料，用于提供偏置磁场；所述高度调整框(2)用于调整偏置片(4)与磁致伸缩/压电复合材料(1)之间的距离；所述高度调整框(2)、底板(3)、垫块(31)、固定块(5)均采用非金属材料；所述固定块(5)设置在两个敏感单元，用于夹持通电交流直导线，且两个敏感单元相对固定块(5)对称布置。
2.根据权利要求1所述的差分电流传感器，其特征在于，所述底板(3)上设有两个电极(32)；两个电极(32)贯穿底板(3)并进行密封；所述信号输出线(41)和导线(42)分别与两个电极(32)内侧相连，电极(32)外侧再连接相应的信号输出线和导线；且两个敏感单元的电极(32)位于同一侧。
3.根据权利要求1所述的差分电流传感器，其特征在于，所述压电材料的长度要大于上下两侧磁致伸缩材料的长度。
4.根据权利要求1所述的差分电流传感器，其特征在于，固定块(5)包括上夹持块(51)、下夹持块(52)；所述上夹持块(51)、下夹持块(52)分别与两个敏感单元固定；上夹持块(51)和下夹持块(52)中间分别设有半圆形夹持孔；上夹持块(51)和下夹持块(52)合并形成一个完整的圆形夹持孔(54)。
5.根据权利要求1所述的差分电流传感器，其特征在于，所述上夹持块(51)和下夹持块(52)之间还设有铰接座(53)。
6.根据权利要求1所述的差分电流传感器，其特征在于，所述磁致伸缩/压电复合材料(1)的上下两层的磁致伸缩材料(11)和位于中层的压电材料(12)通过胶水粘结。
7.根据权利要求1所述的差分电流传感器，其特征在于，所述垫块(31)的两个端面分别用胶水粘结在磁致伸缩/压电复合材料(1)和底板(3)的中间位置。
8.根据权利要求1所述的差分电流传感器，其特征在于，所述高度调整框(2)的上下两端面通过胶水分别与偏置片(4)、底板(3)相粘结。
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