CN111879988A - 一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置及方法，检测装置包括双芯导线、导线扣盖、调节装置顶部旋钮、悬臂梁固定端滑块、丝杠、侧方刻度线、悬臂梁传感器调节装置等，本案根据完全差分模型，推导出压电悬臂梁弹簧阻尼模型下的振动干扰力的表达公式，设计测量装置使得干扰振动力与电磁力均在同一方向上，通过读取两个悬臂梁传感器内的压电片读数来计算扰动环境下的电流值，该模型放大了2倍电压幅值并且完全消除双芯导线直流电流测量过程中的低频机械振动干扰，使得测量准确。

Description

一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置及方法

技术领域

本发明属于测量领域，涉及一种适用于存在低频机械振动的环境下测量双芯导线中直流电流的高精度高、高灵敏度压电式无源电流检测装置及方法。

背景技术

MEMS技术作为一门多学科高度交叉的前沿学科领域，在近些年来得到迅速发展，在航空、航天、生物技术等领域都有广泛的应用。该技术可实现优质高产低耗，大大提高系统的可靠性和智能化功能，已经成为电子领域活跃的发展方向之一。而随着这种人们的更高要求以及技术的成熟，压电式电流传感器应用的领域和范围也越来越广泛。这需要压电式电流传感器能够满足在各种存在干扰的工作环境下保持足够高的测量精度和灵敏度，即能够克服环境中的干扰。现有技术存在干扰振动与电磁力非同一方向导致的参数扰动问题，并且现有技术计算模型存在较大错误，无法消除双芯导线直流电流测量过程中的低频机械振动干扰，进而无法准确进行低频机械振动环境中的无源电流的检测。

发明内容

为了解决上述存在的不足之处及缺点，本发明专利提出了一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置及方法。

一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，双芯导线位于导线支撑端上方，导线扣盖包覆双芯导线并与导线支撑端固定连接，导线支撑端与底板固定连接，导线扣盖在两导线中心处附近为切线拟合结构设计；位于双芯导线两端分别设有两个悬臂梁传感器调节装置，一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的上端悬臂梁传感器，另一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的下端悬臂梁传感器，封装的上端悬臂梁传感器位于双芯导线上方，封装的下端悬臂梁传感器位于双芯导线下方；悬臂梁传感器调节装置固定于底座上，由调节装置顶部旋钮、调节装置外壳、悬臂梁固定端滑块、丝杠、侧方刻度线组成；调节装置顶部旋钮固定于调节装置外壳顶端，通过丝杠与悬臂梁固定端滑块连接，调节装置顶部旋钮调节悬臂梁固定端滑块的位置；悬臂梁固定端滑块在丝杠上移动，丝杠固定于调节装置外壳内测，悬臂梁固定端滑块与封装的悬臂梁传感器连接，调节装置顶部旋钮可调节封装的悬臂梁传感器位于关于双芯导线中心对称位置。

优选的，导线扣盖由螺栓及螺母固定于导线支撑端。

优选的，封装的上端悬臂梁传感器与封装的下端悬臂梁传感器分别由封装外壳、永磁体、悬臂梁、压电片组成；永磁体固定连接于悬臂梁自由端处，压电片固定在悬臂梁上，且压电片极性关于Z轴对称，悬臂梁位于封装外壳内；封装的上端悬臂梁传感器的永磁体与封装的下端悬臂梁传感器的永磁体磁极方向相同，以保证待测导线通电时，悬臂梁弯曲方向同步朝向双芯导线或同步远离双芯导线。

一种用于低频机械振动环境中无源电流检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)校准过程：将设备进行装配，并调节两调节装置顶部旋钮，保证两悬臂梁传感器关于双芯导线对称放置，确保悬臂梁传感器末端永磁体在双芯导线电流磁场梯度的线性区间内；将被测导线接入标准直流电流I₀，并由激振器引入1～50赫兹的低频机械振动进行校准测量；

双芯导线电流磁场梯度线性区间计算方法如下：

双芯导线中垂线上电流磁场梯度公式：

其中a为双芯导线中心与左右导线中心的距离，z为悬臂梁传感器末端永磁体质心距离双芯导线中心的纵向距离，I为电流大小；对备选区间的线性回归决定系数R2进行检测可以得电流磁场梯度线性区间；例如RV6型号导线，可选区间z取4～6mm；电磁力公式为：

其中B_r为永磁体剩余磁通量，V为永磁体体积；

步骤(2)双芯导线通入被测直流电流I，进行实际测量，被测电流I可通过与电流检测装置有关的参数和压电片输出电压V_p得到，过程如下：

以弹簧阻尼模型建立的两个压电悬臂梁传感器末端永磁体质心的振动微分方程如下：

式中：z₁和z₂分别为下端和上端悬臂梁传感器末端永磁体质心位移，z₀为下端和上端悬臂梁传感器末端永磁体质心无振动时距离双芯导线中心的纵向距离，γ为等效阻尼，

为梁模型固有频率的平方，F₀为外界振动激励响应的力大小，w为外界振动的频率，G为永磁体重力，m为永磁体质量；

方程组的解简化后形式为：

式中A为电磁力影响系数，B为永磁体重力影响系数，C为外界振动力影响系数，并且实际情况下z₁和z₂非常小，以RV6导线为例时，z₁和z₂大小在微米级，压电片实际输出电压公式为：

式中：E_i：各层材料的弹性模量、E_p：压电片的弹性模量、I_i：各层材料的转动惯量、A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p：悬臂梁长度方向上压电片中心和梁中性轴平行距离、Z_i：悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电片长度、L_m：永磁体长度、d₃₁：横向压电常数、w_E：压电片的宽度、C_P：压电片的电容；

压电片2输出电压减去压电片1输出电压时有：

结果为2倍电磁力输出，消去了外界振动的影响，同时根据封装下端悬臂梁传感器及封装上端悬臂梁传感器内的压电片读出电压输出值即可求得双芯导线中电流的大小。

本发明工作原理：本案根据完全差分模型，推导出了压电悬臂梁弹簧阻尼模型下的振动干扰力的表达公式，设计装置在干扰振动力与电磁力均在同一方向上，通过读取两个悬臂梁传感器内的压电片读数来计算扰动环境下的电流值，该模型放大了2倍电压幅值并且完全消除双芯导线直流电流测量过程中的低频机械振动干扰，使得测量准确。

本发明所达到的有益效果是：1、本专利推导出了压电悬臂梁弹簧阻尼模型下的振动干扰力的表达公式，使模型更精准；2、本专利所述模型为完全差分模型，可以完全消除双芯导线直流电流测量过程中的低频机械振动干扰；3、根据模型设计的测量装置，使得干扰振动力与电磁力均在同一方向上，避免了参数振动等干扰问题，使得测量精准。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明等轴测试图；

图2是本发明正视图；

图3是本发明侧视图；

图4是本发明俯视图；

图5是本发明压电式悬臂梁传感器结构示意图；

图中：1、双芯导线；2、导线扣盖；3、螺母；4、螺栓；5、导线支撑端；6、调节装置顶部旋钮；7、调节装置外壳；8、悬臂梁固定端滑块；9、丝杠；10、侧方刻度线；11、封装的上端悬臂梁传感器；12、封装的下端悬臂梁传感器；13、底座；1101、封装外壳；1102、永磁体；1103、悬臂梁；1104、压电片；14、悬臂梁传感器调节装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，双芯导线1位于导线支撑端5上方，导线扣盖2包覆双芯导线并与导线支撑端固定连接，导线支撑端与底板13固定连接，导线扣盖在两导线中心处附近为切线拟合结构设计，可以更有效的夹紧导线；位于双芯导线两端分别设有两个悬臂梁传感器调节装置14，一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的上端悬臂梁传感器11，另一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的下端悬臂梁传感器12，封装的上端悬臂梁传感器位于双芯导线上方，封装的下端悬臂梁传感器位于双芯导线下方；悬臂梁传感器调节装置14固定于底座13上，由调节装置顶部旋钮6、调节装置外壳7、悬臂梁固定端滑块8、丝杠9、侧方刻度线10组成；调节装置顶部旋钮固定于调节装置外壳顶端，通过丝杠与悬臂梁固定端滑块连接，调节装置顶部旋钮调节悬臂梁固定端滑块的位置；悬臂梁固定端滑块在丝杠上移动，丝杠固定于调节装置外壳内测，悬臂梁固定端滑块与封装的悬臂梁传感器连接，调节装置顶部旋钮可调节封装的悬臂梁传感器位于关于双芯导线中心对称位置。导线扣盖由螺栓4及螺母3固定于导线支撑端。封装的上端悬臂梁传感器与封装的下端悬臂梁传感器分别由封装外壳1101、永磁体1102、悬臂梁1103、压电片1104组成；永磁体固定连接于悬臂梁自由端处，压电片固定在悬臂梁上，且压电片极性关于Z轴对称，悬臂梁位于封装外壳内；封装的上端悬臂梁传感器的永磁体与封装的下端悬臂梁传感器的永磁体磁极方向相同，以保证待测导线通电时，悬臂梁弯曲方向同步朝向双芯导线或同步远离双芯导线。

本发明采取的技术方案是：装置结构尺寸针对导线的国标型号进行设计，双芯导线由导线扣盖、导线支撑端、螺栓和螺母固定，保证双芯导线不发生弯曲，导线支撑端与底板固定连接。导线扣盖与导线支撑端由螺栓螺母连接。导线扣盖在两导线中心处附近为切线拟合结构设计，可以更有效的夹紧导线。悬臂梁传感器调节装置由调节装置顶部旋钮、调节装置外壳、悬臂梁固定端滑块、丝杠、侧方刻度线组成，其下端固定在底板上。依据侧方刻度线旋转调节装置顶部旋钮，可以调节悬臂梁固定端滑块的位置。悬臂梁固定端滑块与封装的悬臂梁传感器连接。使用时，调节两调节装置顶部旋钮，使得下端放置的悬臂梁传感器和上端放置的悬臂梁传感器关于双芯导线位置呈对称放置。同时，悬臂梁末端永磁体质心在双芯导线电流磁场梯度的线性区间内。

本发明所述的封装的悬臂梁传感器的结构是：对称布置的两封装传感器组成包括各项参数相同的封装外壳、永磁体、悬臂梁、压电片。其中：封装外壳作用是防止精密测量元器件受到外界环境及人为因素的影响。两微型永磁体分别固定连接于两悬臂梁自由端处。两压电片分别固定在悬臂梁上，且压电片极性(各层材料分布)关于Z轴对称。两永磁体磁极方向相同，以保证待测导线通电时，悬臂梁弯曲方向同步朝向双芯导线或同步远离双芯导线。

一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的方法，包括下列步骤：

步骤(1)将满足导线国标所对应的结构进行装配，包括导线扣盖螺栓、螺母、将两悬臂梁传感器与悬臂梁传感器调节装置中的固定端滑块装配，并调节装置顶部旋钮，保证两悬臂梁传感器关于双芯导线对称放置，确保悬臂梁传感器末端永磁体在双芯导线电流磁场梯度的线性区间内；

步骤(2)将双芯导线接入标准直流电流I₀，并由激振器引入1～50赫兹的低频机械振动进行验证性测量；

步骤(3)双芯导线通入被测直流电流I，进行实际测量，被测直流电流I可通过与电流检测装置有关的参数和压电片输出电压V_P得到，过程如下：

单根导线周围的磁场强度公式为：

式中r为距导线中心的距离。

单根导线，在磁场中的永磁体所受磁力正比于磁场的梯度对永磁体体积的积分。

式中V为单个永磁体体积。

双芯导线，在z方向的磁场合成后强度公式为：

双芯导线，当永磁体位于双芯导线中垂线上时磁场强度为：

双芯导线，当永磁体位于双芯导线中垂线上时所受磁力大小为：

式中：H_z是磁场Z轴方向分量，B_r为永磁体剩余磁通量、V为永磁体体积、F_z为Z方向任意位置磁场力，a是双芯导线中心与左右导线中心的距离。

单个悬臂梁传感器Z轴应力：

式中：E_i：各层材料的弹性模量、E_p：压电片的弹性模量、I_i：各层材料的转动惯量、A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p：悬臂梁长度方向上压电片中心和梁中性轴平行距离、Z_i：悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电片长度、L_m：永磁体长度。

若仅考虑压电片引起的电容，忽略那些由测量系统和其他压电片所带来的影响，各个压电片输出电压公式为：

式中d₃₁是横向压电常数、w_E是压电片的宽度、C_P是压电片的电容。

如图中放置压电悬臂梁式传感器，且两永磁体磁极方向相同。

当外界没有振动时，压电悬臂梁传感器等效弹簧阻尼模型振动微分方程：

当外界有低频机械振动时，将电磁力、永磁体重力、振动响应激励同时加入模型耦合并建立方程组：

解的简单形式为：

式中A为电磁力影响系数，B为永磁体重力影响系数，C为外界振动力影响系数。并且实际情况下z₁和z₂非常小，以RV6导线为例时，z₁和z₂大小在微米级。

考虑外界有低频机械振动情况下，压电片2输出电压减去压电片1输出电压时有：

V_z为单根压电悬臂梁传感器无振动条件下的输出，由此可以得到，本发明在有低频机械振动的时候可以消除振动的影响，整体输出2倍的电压幅值，从而得到电流值。

双芯导线所求直流电流的简化公式：

IK_I＝V_Z

式中系数K_I为：

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，其特征在于：双芯导线位于导线支撑端上方，导线扣盖包覆双芯导线并与所述导线支撑端固定连接，所述导线支撑端与底板固定连接，所述导线扣盖在两导线中心处附近为切线拟合结构设计；位于双芯导线两端分别设有两个悬臂梁传感器调节装置，一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的上端悬臂梁传感器，另一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的下端悬臂梁传感器，所述封装的上端悬臂梁传感器位于双芯导线上方，所述封装的下端悬臂梁传感器位于双芯导线下方；所述悬臂梁传感器调节装置固定于底座上，由调节装置顶部旋钮、调节装置外壳、悬臂梁固定端滑块、丝杠、侧方刻度线组成；所述调节装置顶部旋钮固定于所述调节装置外壳顶端，通过丝杠与所述悬臂梁固定端滑块连接，所述调节装置顶部旋钮调节悬臂梁固定端滑块的位置；所述悬臂梁固定端滑块在丝杠上移动，所述丝杠固定于所述调节装置外壳内测，所述悬臂梁固定端滑块与封装的悬臂梁传感器连接，所述调节装置顶部旋钮可调节封装的悬臂梁传感器位于关于所述双芯导线中心对称位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，其特征在于：所述导线扣盖由螺栓及螺母固定于所述导线支撑端。

3.根据权利要求1所述的一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，其特征在于：所述封装的上端悬臂梁传感器与封装的下端悬臂梁传感器分别由封装外壳、永磁体、悬臂梁、压电片组成；所述永磁体固定连接于悬臂梁自由端处，所述压电片固定在悬臂梁上，且压电片极性关于Z轴对称，所述悬臂梁位于所述封装外壳内；所述封装的上端悬臂梁传感器的永磁体与所述封装的下端悬臂梁传感器的永磁体磁极方向相同，以保证待测导线通电时，所述悬臂梁弯曲方向同步朝向双芯导线或同步远离双芯导线。

4.一种用于低频机械振动环境中无源电流检测方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤(1)校准过程：将设备进行装配，并调节两调节装置顶部旋钮，保证两悬臂梁传感器关于双芯导线对称放置，确保悬臂梁传感器末端永磁体在双芯导线电流磁场梯度的线性区间内；将被测导线接入标准直流电流I₀，并由激振器引入1～50赫兹的低频机械振动进行校准测量；

双芯导线电流磁场梯度线性区间计算方法如下：

双线导线中垂线上电流磁场梯度公式：

其中a为双芯导线中心与左右导线中心的距离，z为悬臂梁传感器末端永磁体质心距离双芯导线中心的纵向距离，I为电流大小；对备选区间的线性回归决定系数R2进行检测可以得电流磁场梯度线性区间；电磁力公式为：

其中Br为永磁体剩余磁通量，V为永磁体体积；

步骤(2)双芯导线通入被测直流电流I，进行实际测量，被测电流I可通过与电流检测装置有关的参数和压电片输出电压V_p得到，过程如下：

以弹簧阻尼模型建立的两个压电悬臂梁传感器末端永磁体质心的振动微分方程如下：

式中：z₁和z₂分别为下端和上端悬臂梁传感器末端永磁体质心位移，z₀为下端和上端悬臂梁传感器末端永磁体质心无振动时距离双芯导线中心的纵向距离，γ为等效阻尼，

为梁模型固有频率的平方，F₀为外界振动激励响应的力大小，w为外界振动的频率，G为永磁体重力，m为永磁体质量；

方程组的解简化后形式为：

式中A为电磁力影响系数，B为永磁体重力影响系数，C为外界振动力影响系数，并且实际情况下z₁和z₂非常小，压电片实际输出电压公式为：

式中：E_i：各层材料的弹性模量、E_p：压电片的弹性模量、I_i：各层材料的转动惯量、A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p：悬臂梁长度方向上压电片中心和梁中性轴平行距离、Z_i：悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电片长度、L_m：永磁体长度、d₃₁：横向压电常数、w_E：压电片的宽度、C_P：压电片的电容；

压电片2输出电压减去压电片1输出电压时有：

结果为2倍电磁力输出，消去了外界振动的影响，同时根据封装下端悬臂梁传感器及封装上端悬臂梁传感器内的压电片读出电压输出值即可求得双芯导线中电流的大小。

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