CN111366768A - 一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器 - Google Patents

一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器 Download PDF

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王文
孙媛
贾雅娜
范淑瑶
梁勇
刘梦伟
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Abstract

本发明公开了一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，所述声表面波电流传感器包括压电晶体基片(21)、叉指换能器(22)和声表面波反射型延迟线(23)；所述声表面波反射型延迟线(23)包括沿声表面波的传播方向上设置的第一短路栅反射器(231)、第二短路栅反射器(232)、第三短路栅反射器(233)；所述的第一反射器(231)与第二反射器(232)之间设置有磁致伸缩薄膜(24)。本发明具有高精度，高灵敏度，体积小，重量轻，功耗低的优点；具有良好的稳定性，能够快速响应，制作成本低；可实现无线无源测量方式，特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境，极具应用前景。

Description

一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器
技术领域
本发明涉及声表面波器件领域，尤其是涉及一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器。
背景技术
电流传感器在电力系统控制保护和监控中起着至关重要的作用。如今，电力系统中电网电压等级不断提高、容量不断增大，使得高灵敏度、高可靠性、抗电磁干扰性好的电流传感器成为其当下的发展需求。
传统的电流传感器主要是霍尔型和光纤型。霍尔型电流传感器的检测原理基于霍尔效应，如图1(a)所示，霍尔元件放置于磁芯开口气隙处，当导体流过电流时，在导体周围产生感应磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁场强度成正比的电压信号，以此评价导体电流。光纤型电流传感器的检测原理基于法拉第磁光效应，如图1(b)所示，由磁光材料制作的光纤环绕在通电导线上，通过光学调制器和接收处理终端测量光波在通过光纤时，其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。
自1879年美国物理学家Edwin II.Hall在研究载流导体在磁场中导电性时发现了霍尔效应，霍尔电流传感器以其高精度，价格低廉，线性好，快速响应以及过载能力强等特点长久以来广泛应用于UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、电网监控系统以及需要隔离检测的大电流监测之中。然而随着现代智能电网及工业自动化的发展，传统的霍尔传感器的直流工作供电、绝缘困难、精度易受偏移电流以及外界温度环境因素影响等问题也愈发突出。为应对这一问题，一种基于法拉第效应的光纤电流检测技术得到人们的关注，所谓法拉第效应是1846年法拉第发现在磁场作用下，偏振光通过介质时偏振方向发生旋转的法拉第磁旋光效应。随着光纤技术的发展，以此理论为基础的光纤电流传感器凭借其低污染，绝缘性好，灵敏度高等特点得到国内外的广泛关注。代表性的光纤电流传感器为全光纤型，结构简单，绝缘性好，灵敏度高，稳定性好，发展迅速，目前已有样机开始在国内挂网试用。但光学材料又存在制作与施工难度大，传感探头易碎，成本高等不足，推广难度大。总的来说，这两种应用于电流检测的传感器技术仍存在着诸多瓶颈，制约着其进一步的实际应用。因此，需要研究一种高可靠性、高稳定性的新技术新方法。
发明内容
本发明的目的，是为了克服现有技术的电流传感器检测精度低，灵敏度低，稳定性差的缺陷，提供了一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器技术。该种结构的声表面波电流传感器既提高了电流检测精度，而且实现了无线无源的检测手段。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器。
所述声表面波电流传感器包括压电晶体基片(21)、叉指换能器(22)和声表面波反射型延迟线(23)；所述声表面波反射型延迟线(23)包括沿声表面波的传播方向上设置的第一短路栅反射器(231)、第二短路栅反射器(232)、第三短路栅反射器(233)；所述的第一反射器(231)与第二反射器(232)之间设置有磁致伸缩薄膜(24)。
作为所述装置的一种改进，所述磁致伸缩薄膜(24)采用铁钴、铁镍、或TbDyFe超磁致伸缩合金材料，利用套刻工艺以射频磁控溅射的方法在第一短路栅反射器(231)与第二短路栅反射器(232)之间进行镀膜制备。
作为所述装置的一种改进，所述磁致伸缩薄膜(24)采用薄膜、栅阵或点阵结构；
所述磁致伸缩薄膜(24)为磁致伸缩栅阵薄膜(241)或磁致伸缩点阵薄膜(242)；
所述的磁致伸缩栅阵薄膜(241)包括沿x方向均匀分布的若干个尺寸相同的栅条；沿x方向宽度l1可以设置为λ或λ的整数倍，栅条之间的间距l3与l1相等，y方向高度与短路栅反射器声孔径相等，λ为沿声波传播方向的声波波长；
所述的磁致伸缩点阵薄膜(242)包括若干个均匀分布的点阵元，每个点阵元的x方向宽度l6可以设置为λ或λ的整数倍，y方向宽度l5及点阵元x，y方向之间的距离l4、l7均与x方向宽度相等。
作为所述装置的一种改进，所述压电晶体基片(21)具有高压电系数，材料采用128° YXLiNbO3、64° YX LiNbO3或42° YX LiNbO3。
作为所述装置的一种改进，所述无线无源声表面波电流传感器表面覆盖一层SiO2保护薄膜(27)，厚度小于1％λ。
作为所述装置的一种改进，所述叉指换能器(22)包括：叉指对(220)和反射电极(221)；
所述叉指对(220)包括两个叉指电极，叉指电极宽度为1/8λ，叉指电极之间边缘间距为1/8λ；
所述反射电极(221)的宽度为1/4λ，且反射电极与叉指对(220)的边缘距离为3/16λ；所述反射电极(221)分布于叉指对(220)之间。
作为所述装置的一种改进，所述叉指换能器(22)的电极为铝电极；铝电极膜的厚度为1％λ～1.5％λ。
作为所述装置的一种改进，所述声表面波反射型延迟线(23)的短路栅反射器反射电极数目将按照与叉指换能器(22)距离进行设置，离叉指换能器(22)越近，短路栅反射器电极数越少，反之则增加电极数。
作为所述装置的一种改进，所述第三短路栅反射器(233)以差分方法抵消外围测试环境对传感器性能的干扰。
作为所述装置的一种改进，所述基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器还包括步进调频雷达(25)和信号传输天线(26)；
所述步进调频雷达(25)用于作为激励源发射电磁波信号和接收反射回来电磁波信号进行相位解调，获取通电导线的电流信息；
所述信号传输天线(26)用于接收和发射电磁波信号。
本发明的优势：
1、本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器具有高精度，高灵敏度，体积小，重量轻，功耗低的优点；
2、本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器具有良好的稳定性，能够快速响应，制作成本低；
3、本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器可实现无线无源测量方式，特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境，极具应用前景。
附图说明
图1(a)为现有技术中霍尔型电流传感器立体结构示意图；
图1(b)为现有技术中光纤型电流传感器立体结构示意图；
图2为本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器立体结构示意图；
图3为本发明的基于反射延迟线的声表面波电流传感器中的EWC/SPUDT结构的示意图。
图4为本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器平面结构示意图；
图5为本发明的声表面波电流传感器中栅状磁致伸缩薄膜的结构示意图；
图6为本发明的声表面波电流传感器中点阵磁滞伸缩薄膜的结构示意图。
附图标识
21、压电晶体基片 22、叉指换能器 23、声表面波反射型延迟线器件
24、磁致伸缩薄膜 25、步进调频雷达 26、信号传输天线
27、SiO2薄膜 220、叉指对 221、反射电极
231、第一短路栅反射器 232、第二短路栅反射器 233、第三短路栅反射器
241、磁致伸缩栅阵薄膜 242、磁致伸缩点阵薄膜
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
无线无源声表面波传感技术原理是由射频收发模块(雷达)发射与声表面波传感器件同频的电磁波信号，通过天线由声表面波传感器件的叉指换能器接收并转换成沿压电晶体表面传播的声表面波，所述声表面波在传播过程中被反射器反射并被叉指换能器重新转换成电磁波信号，再经由天线被射频收发模块(雷达)接收。通过解调接收信号即可获得相应传感信息。在声表面波传播过程中如受到力、磁、温度等影响，会直接影响声传播速度及幅度。
本发明提出一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，通过天线接收来自于射频收发模块(雷达)发射的电磁波信号，并通过叉指换能器(IDT)转换成沿压电晶体表面传播的声表面波SAW，并为反射器反射回叉指换能器(IDT)，重新转换成电磁波信号为雷达所接收。
由于通电导线电流变化引起电磁场变化导致磁致伸缩薄膜产生磁致伸缩效应，产生的磁致伸缩应变作用于声表面波SAW传播，直接引起声表面波SAW传播特性特别是传播速度的变化，相应时延的变化也同时导致了相位改变。通过对雷达所接收的传感信号进行相位解调即可获取电流信息。
如图2所示，本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，所述传感器包括：压电晶体基片21、叉指换能器22及由第一短路栅反射器231、第二短路栅反射器232、第三短路栅反射器233所构成的声表面波反射型延迟线器件23及设置于第一短路栅反射器231与第二短路栅反射器232之间的磁致伸缩薄膜24。其中：
作为无线无源声表面波电流传感器的传感单元，声表面波反射型延迟线器件23的三个短路栅反射器设置在SAW的传播方向上，其中，第一短路栅反射器231与第二短路栅反射器232之间设置磁致伸缩薄膜24。当外部通电导线电流变化引起的电磁场发生变化时，磁致伸缩薄膜24产生ΔE效应以及磁致伸缩应变，使得薄膜弹性模量和尺寸发生改变，从而引起SAW传播速度的变化。
本发明所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器采用步进调频雷达25作为激励源以及信号传输天线26，实现所述电流传感器的无线无源检测手段。
本发明所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器表面覆盖一层SiO2保护薄膜27，用于保护金属电极及补偿器件温度系数，其厚度小于1％λ(λ为声波波长)。
本发明实施例提供的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器采用LiNbO3作为压电晶体基片21，采用SiO2薄膜改善压电基片的温度稳定性，并结合宽带低损耗的信号传输天线26与高分辨率的步进调频雷达25，获得一种具有高灵敏度、良好的温度稳定性和线性度的新型无线无源声表面波电流传感器。
其中，所述压电晶体基片21为高压电系数的压电材料，可采用128° YXLiNbO3、64°YX LiNbO3、42° YX LiNbO3等。一方面，考虑到温度因素会影响测量结果，而LiNbO3压电晶体基片属于压电系数高，温度系数线性度好和易于实现温度补偿的材料；另一方面，LiNbO3压电基片具有较高的声波速度，128° LiNbO3声波速度可达3979m/s，压电耦合系数为5.4％，可以改善传感器的损耗与信噪比性能，提高传感器的灵敏度。
所述叉指换能器22设置于于压电晶体基片21上，采用铝电极，铝电极膜厚介于1％λ～1.5％λ，λ为沿声波传播方向的声波波长。
所述叉指换能器22可以采用EWC/SPUDT(电极宽度控制/单向单相换能器)结构。所述EWC/SPUDT结构包括：叉指对220和分布于叉指对之间的反射电极221；所述叉指对220包括若干个叉指电极，叉指电极宽度为1/8λ，叉指电极电极之间边缘间距为1/8λ；
所述反射电极221的宽度为1/4λ，且反射电极221与叉指对的边缘距离为3/16λ。
如图3所示，本实施例中所述叉指换能器22利用半导体光刻工艺制作于压电晶体基片21之上，通过光刻技术制作。所述叉指换能器22采用单向单相结构，电极材料选用铝，指条宽度为1.008微米，电极膜厚为300纳米，声孔径为1209.699微米；叉指换能器22的频率为中心频率，设为433M，叉指对220的电极数目为27对。
所述声表面波反射型延迟线器件23包括第一短路栅反射器231、第二短路栅反射器232和第三短路栅反射器233，其中短路栅指条宽度为2.016微米，短路栅反射电极膜厚为300纳米，各个指条间距均为2.016微米，指条长度均为121.3732微米。为抑制SAW传播衰减，保证均匀的时域信号强度，短路栅反射器电极数目将按照与叉指换能器22的距离进行设置，离叉指换能器越近，短路栅反射器电极数目越少，反之则增加电极数。
如图4所示，所述声表面波反射型延迟线器件23的三个短路栅反射器依次设置在声传播路径上。其中，第一短路栅反射器231与第二短路栅反射器232之间利用套刻工艺以射频磁控溅射方法进行磁致伸缩薄膜的镀膜制备；第三短路栅反射器233作为温度补偿参考反射器，以差分方法最大程度抵消外围测试环境对传感器性能的干扰。
所述磁致伸缩薄膜24设置于第一短路栅反射器231与第二短路栅反射器232之间，可采用铁钴、铁镍、以及TbDyFe超磁致伸缩合金等材料。超磁致伸缩材料具有以下几个显著特性：较高的磁机耦合特性，能够高效地实现磁能到机械能的转化，其机电转化效率为压电陶瓷的6～30倍；输出应力大，输出功率比压电陶瓷高数十倍；较高的承受负载能力，且机械响应速度快；静态和动态下良好的稳定性。除了以上特点外，还具有以下特点：
1、所述超磁致伸缩材料能够使器件微型化，它能作为执行机构与其它微型传感元件、信息处理元件和控制元件组合，实现集成化；
2、所述超磁致伸缩材料可以克服块状材料中存在的涡流损耗高、力学性能差、驱动磁场较高、以及价格昂贵等缺点；
3、所述超磁致伸缩材料可以通过闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等方法直接镀膜于器件表面，制备效率高，生产成本较低。
基于以上的各种优势，应用超磁致伸缩材料的磁致伸缩薄膜根据磁致伸缩机理实现了无线无源电流传感器的检测。
所述磁致伸缩薄膜材料24可采用图形化设计，图形化结构的设计是为了充分释放磁致伸缩效应，减小薄膜磁滞，显著改善本发明所述电流传感器的灵敏度及电流传感器在电流增大和减小时响应的一致性。
本实施例所述磁致伸缩薄膜24采用薄膜、栅阵或点阵结构，采用铁钴、铁镍、以及TbDyFe超磁致伸缩合金材料。
所述磁致伸缩薄膜24包括磁致伸缩栅阵薄膜241和磁致伸缩点阵薄膜242。
如图5所示，所述的磁致伸缩栅阵薄膜241包括沿x方向均匀分布的若干个尺寸相同的栅条；沿x方向宽度l1可以设置为λ或λ的整数倍，栅条之间的间距l3与l1相等，y方向高度与短路栅反射器声孔径相等；
如图6所示，所述的磁致伸缩点阵薄膜242包括若干个均匀分布的点阵元，每个点阵元的x方向宽度l6可以设置为λ或λ的整数倍，y方向宽度l5及点阵元x，y方向之间的距离l4、l7均与x方向宽度相等。
所述SiO2薄膜27厚度小于1％λ，用于保护金属电极及补偿器件温度系数，利用两种温度系数相反的特点来降低电流传感器本身的温度系数，从而达到提高该声表面波电流传感器温度稳定性的目的。
在本发明具体实施例中，采用射频磁控溅射技术将磁致伸缩薄膜24沉积在有SiO2温度补偿层的声表面波传播路径上，构成磁致伸缩薄膜/SiO2/压电晶体基片层状结构。根据磁致伸缩薄膜24的磁力学特性，在被测电流产生磁场的作用下，薄膜发生磁致伸缩应变和ΔE电磁效应，导致薄膜的厚度和杨氏模量发生变化。在相对较弱磁场[-200Oe-200Oe]范围下磁致伸缩薄膜的杨氏模量与磁场呈现良好的线性特性。由层状介质的声传播理论并结合力学与电学边界条件，分析给定磁场分布条件下磁致伸缩薄膜/SiO2/压电基片层状结构中SAW的传播特性，获得磁场变化与声表面波传播速度的关系，特别分析磁致伸缩薄膜以及SiO2温度补偿层膜厚对传感器响应的影响，并且对SiO2温度补偿层进行分析，综合确定出优化的磁致伸缩薄膜24及SiO2薄膜27厚度。
本发明实施例提出的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器具体工作过程如下：
所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器通过信号传输天线26接收来自于步进调频雷达25发射的电磁波信号，并根据逆压电效应，叉指换能器(IDT)22转换成沿压电晶体基片21表面传播的声表面波SAW，当经过声表面波反射型延迟线器件23时，所述声表面波信号被反射回去。根据正压电效应，叉指换能器(IDT)22将声表面波信号重新转换成电磁波信号为步进调频雷达25所接收；由于通电导线电流引起的电磁场变化导致磁致伸缩薄膜24发生磁致伸缩效应，产生的磁致伸缩应变作用于SAW传播，直接引起SAW传播特性特别是传播速度的变化，相应时延的变化也同时导致了相位改变。通过对雷达所接收的传感信号进行相位解调即可获取电流信息。
具体地，用P矩阵分别表示叉指换能器27和经过声表面波反射型延迟线器件23，利用P矩阵的级联关系，推算出整个器件的导纳矩阵：
Figure BDA0001923161370000071
然后利用导纳矩阵解，声表面波反射型延迟线器件23的反射系数S11可以表示为:
Figure BDA0001923161370000081
其中YG为源与负载导。然后基于快速傅立叶变化(FFT)，频率域S11将可以直接转换成时域信号。
本发明实施例提供的声表面波电流传感器采用反射延迟线结构，采用LiNbO3为压电基片，采用SiO2薄膜改善压电基片的温度稳定性，采用磁致伸缩薄膜来响应电流，并结合宽带低损耗的微带天线与高分辨率的步进调频雷达，获得一种具有高灵敏度、良好的温度稳定性和线性度的新型无线无源声表面波电流传感器。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围，本领域的技术人员应当理解，在不脱离发明原理的前提下，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围中。

Claims (10)

1.一种基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，所述声表面波电流传感器包括压电晶体基片(21)、叉指换能器(22)和声表面波反射型延迟线(23)；其特征在于，
所述声表面波反射型延迟线(23)包括沿声表面波的传播方向上设置的第一短路栅反射器(231)、第二短路栅反射器(232)、第三短路栅反射器(233)；所述的第一反射器(231)与第二反射器(232)之间设置有磁致伸缩薄膜(24)。
2.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述磁致伸缩薄膜(24)采用铁钴、铁镍、或TbDyFe超磁致伸缩合金材料，利用套刻工艺以射频磁控溅射的方法在第一短路栅反射器(231)与第二短路栅反射器(232)之间进行镀膜制备。
3.根据权利要求2所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述磁致伸缩薄膜(24)采用薄膜、栅阵或点阵结构；
所述磁致伸缩薄膜(24)为磁致伸缩栅阵薄膜(241)或磁致伸缩点阵薄膜(242)；
所述的磁致伸缩栅阵薄膜(241)包括沿x方向均匀分布的若干个尺寸相同的栅条；沿x方向宽度l1可以设置为λ或λ的整数倍，栅条之间的间距l3与l1相等，y方向高度与短路栅反射器声孔径相等，λ为沿声波传播方向的声波波长；
所述的磁致伸缩点阵薄膜(242)包括若干个均匀分布的点阵元，每个点阵元的x方向宽度l6可以设置为λ或λ的整数倍，y方向宽度l5及点阵元x，y方向之间的距离l4、l7均与x方向宽度相等。
4.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述压电晶体基片(21)具有高压电系数，材料采用128° YXLiNbO3、64° YX LiNbO3或42°YX LiNbO3。
5.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述无线无源声表面波电流传感器表面覆盖一层SiO2保护薄膜(27)，厚度小于1％λ。
6.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述叉指换能器(22)包括：叉指对(220)和反射电极(221)；
所述叉指对(220)包括两个叉指电极，叉指电极宽度为1/8λ，叉指电极之间边缘间距为1/8λ；
所述反射电极(221)的宽度为1/4λ，且反射电极与叉指对(220)的边缘距离为3/16λ；所述反射电极(221)分布于叉指对(220)之间。
7.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述叉指换能器(22)的电极为铝电极；铝电极膜的厚度为1％λ～1.5％λ。
8.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述声表面波反射型延迟线(23)的短路栅反射器反射电极数目将按照与叉指换能器(22)距离进行设置，离叉指换能器(22)越近，短路栅反射器电极数越少，反之则增加电极数。
9.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述第三短路栅反射器(233)以差分方法抵消外围测试环境对传感器性能的干扰。
10.根据权利要求1所述的基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，所述基于反射延迟线的无线无源声表面波电流传感器还包括步进调频雷达(25)和信号传输天线(26)；
所述步进调频雷达(25)用于作为激励源发射电磁波信号和接收反射回来电磁波信号进行相位解调，获取通电导线的电流信息；
所述信号传输天线(26)用于接收和发射电磁波信号。
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