CN117192187A - 基于磁扭电机制的d33模式电流传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁扭电机制的d33模式电流传感器及其制造方法；涉及传感器技术领域；包括压电材料沿着厚度方向极化，工作在d33模式下；压电材料放置在两片弹性材料中，使用环氧树脂进行粘连固定，弹性材料另一端的上下面，用相同数量的永磁体夹住；永磁体用于固定弹性材料并在激励磁场中产生磁扭矩；两片弹性材料的末端粘合后，两侧用若干相同数量的永磁体夹住；聚磁环用于向永磁体提供激励磁场；本发明基于磁扭矩放大应力的传感机制，使得压电材料工作在应力介导的d33模式下，不仅可进行微弱电流的测量，同时又能有效避免应变工作模式的缺陷工而进行100A以上的大电流测量。

Description

基于磁扭电机制的d33模式电流传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及基于磁扭电机制的d33模式电流传感器及其制造方法。

背景技术

如今，在电力系统、电力电子、航空航天、船舶制造、医疗器械等等领域中，对于交直流大电流的测量都存在广泛的需求。电力系统正迅速朝着高比例可再生能源和高比例电力电子化的方向发展，电力系统结构日趋复杂。为保障电力系统安全稳定运行，对于系统负荷的客观、可测、可控能力提出了更高的要求。负荷电流的准确测量作为电气测量领域的重中之重，对于新型电力系统的安全稳定运行、节能降耗、提质增效等具有重要意义。

传统的电流测量方法大体分为介入式测量方法和非接入式测量方法两类。介入式电流测量主要以分流器为代表，基于欧姆定律对流过标准电阻的待测电流进行实时监测，适用于测量直流、交流电流，但在测量大电流时由于引线电阻、接触电阻的存在，电流响应的线性度受到制约。同时由于测量回路与待测大电流存在直接的电气连接，在操作上存在安全隐患。并且长时间工作在大电流下的标准电阻也存在发热问题。

非介入式电流测量大多基于磁场与电流的对应关系，主要有电磁式电流互感器、霍尔电流传感器、罗氏线圈、全光纤电流互感器、巨磁阻电流传感器、磁通门电流传感器、超导量子电流传感器、磁电复合电流传感器等。电磁式电流互感器基于电磁感应原理，能够有效地进行电气隔离，保障操作人员安全，但是其核心部件中的磁芯材料易于磁饱和，从而导致测量信号失真，限制测量范围，并且不便于安装。罗氏线圈基于法拉第电磁感应定律，将二次绕组缠绕在非导磁材料的环形结构上，相比于电流互感器则不存在磁芯饱和的问题，动态范围大、响应速度快，但由于缺少聚磁结构，灵敏度低、易受环境磁场干扰。巨磁阻电流传感器则是利用某些磁性材料在外加磁场时的电阻率发生巨大变化来进行测量，具有测量大电流的能力，测量频带宽、线性范围大、灵敏度高，但是遇到强磁场可能会使得其产生永久性的损坏，并且对工作环境温度具有极高的要求，从而限制了巨磁阻电流传感器的应用场合。磁通门电流传感器线性范围大、测量精度高，但是涉及到电路集成等生产技术，工艺复杂且成本昂贵。超导量子电流传感器同样具有良好的测量性能，但是工艺复杂成本昂贵，并且体积庞大，多应用于实验室科学研究使用。目前，电流传感市场中依然是霍尔电流传感器占据较大份额。它的体积小、结构简单、成本低，且具有较宽的频率响应范围，但具有半导体器件典型的缺陷，比如噪声和温漂大，且作为有源器件。大量科研人员和科研机构投入到基于磁电复合材料的电流传感研究之中，由于磁电复合材料对于nT、pT、甚至fT级别的磁场都具有良好的响应，因此在电流传感测量方面也能够探测极其微弱的电流。但是传统的磁电复合材料电流传感器因为应变介导的工作模式，存在压电结构易碎的缺点，不利于大电流的测量，且仍需要一定的直流偏置保证传感器的正常工作。针对以上一系列问题，在电流测量方面亟需开发一种具有宽线性范围、低探测极限、体积小、成本低、无源的新型高性价比传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：传统的磁电复合材料电流传感器因为应变介导的工作模式，存在压电结构易碎的缺点，不利于大电流的测量，且仍需要一定的直流偏置保证传感器的正常工作的问题；本发明目的在于提供基于磁扭电机制的d33模式电流传感器及其制造方法，基于磁扭矩放大应力的传感机制，使得压电材料工作在应力介导产生电压的模式下；既能利用磁扭矩放大应力，从而进行微弱电流的测量，同时又能有效避免应变工作模式的缺陷，进行100A以上的大电流测量。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，包括：

压电材料，沿着厚度方向极化，工作在d33模式下；

弹性材料，用于固定压电材料；所述压电材料粘合在两片弹性材料首端之间；

永磁体，用于固定弹性材料并在激励磁场中产生磁扭矩；两片弹性材料的末端粘合后，两侧用若干相同数量的永磁体夹住；

聚磁环，用于向永磁体提供激励磁场，所述聚磁环上绕匝数为n的线圈。

近一步优化方案为，所述压电材料包括上电极面和下电极面，所述上电极面和下电极面外接导线。

近一步优化方案为，所述弹性材料与上电极面之间，弹性材料与下电极面之间，以及弹性材料与弹性材料之间用黏合剂连接。

近一步优化方案为，所述压电材料为长方体结构，压电材料的数量为1，且上电极面和下电极面位于长方体结构面积最大的两个面上。

近一步优化方案为，所述压电材料为单晶或者多晶陶瓷材料；AlN、石英、LiNbO₃、BaTiO₃、ZnO、PbZrO₃、PbTiO₃、PbNbO₃-PbTiO₃、PbMgO₃-PbTiO₃、PbZnO₃-PbTiO₃、PbNbO₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃。

近一步优化方案为，所述弹性材料为具有弹性的金属长条薄片、合金长条薄片或复合材料长条薄片，所述弹性材料具体为铜、钛合金、镍基合金或不锈钢。

近一步优化方案为，所述永磁体为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料或复合永磁材料。

近一步优化方案为，所述聚磁环为方形或者圆形结构，由n匝线圈缠绕。

近一步优化方案为，所述聚磁环为聚磁材料，具体为铁氧体、坡莫合金或非晶合金。

本方案还提供制造上述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器的方法，包括步骤：

步骤1，将压电材料加工成尺寸为长Lx宽Wx高H的长方体结构，并用超纯水超声清洗压电材料；

步骤2，通过退火、蒸镀或磁控溅射的方式在压电材料的上表面和下表面镀上电极；

步骤3，将步骤2得到的压电材料沿厚度方向极化；

步骤4，导线分别贴合于压电材料的两个电极端面，用于传导电信号；

步骤5，提供两片弹性材料，将弹性材料加工成宽为W的长条薄片，并用酒精清洗干净；

步骤6，用黏合剂将贴合好导线的压电材料粘接在两片弹性材料首端之间，并将两片弹性材料的末端用胶粘剂贴合好，压电材料的厚度方向与弹性材料的厚度方向平行；

步骤7，用若干个永磁体以对称的数量，分别以垂直于弹性材料表面的方向，吸附在弹性材料末端，形成磁电复合材料；

步骤8，将磁电复合材料与聚磁环组合起来，并将两根导线引出信号，制作基于磁扭电机制的d33模式电流传感器。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器及其制造方法；创新性地基于磁扭矩放大应力的传感机制，使得压电材料工作在应力介导产生电压的模式下。

2、本发明提供的的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器及其制造方法；既能够利用磁扭矩放大应力，从而进行微弱电流的测量，同时又能有效避免应变工作模式的缺陷，从而进行100A以上的大电流测量；综合考虑性能、工作模式强度、应用场景、制备工艺和成本等等因素，本发明优化材料的选型，可以保证敏感元件的工作性能和寿命；在交直流大电流、弱电流的测量方面有着良好的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为基于磁扭电机制的d33模式电流传感器结构示意图；

图2为磁扭电机制电流传感器的工作模式示意图；

图3为电流传感器输出电压的频率响应测试图；

图4为电流传感器的交直电流的测试结果图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-压电材料；2-弹性材料；3-永磁体；4-聚磁环；5-上电极面；6-下电极面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，如图1所示，包括：

压电材料1，沿着厚度方向极化，工作在d33模式下；

弹性材料2，用于固定压电材料1；所述压电材料1粘合在两片弹性材料2首端之间；

永磁体3，用于固定弹性材料2并在激励磁场中产生磁扭矩；两片弹性材料2的末端粘合后，两侧用若干相同数量的永磁体3夹住；

聚磁环4，用于向永磁体3提供激励磁场，所述聚磁环4上绕匝数为n的线圈。

压电材料1包括上电极面5和下电极面6，所述上电极面5和下电极面6外接导线。

弹性材料2与上电极面5之间，弹性材料5与下电极面6之间，以及弹性材料2与弹性材料2之间用黏合剂连接。

压电材料1为长方体结构，压电材料1的数量为1，且上电极面5和下电极面6位于长方体结构面积最大的两个面上。

压电材料1为单晶或者多晶陶瓷材料；AlN、石英、LiNbO₃、BaTiO₃、ZnO、PbZrO₃、PbTiO₃、PbNbO₃-PbTiO₃、PbMgO₃-PbTiO₃、PbZnO₃-PbTiO₃、PbNbO₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃。

弹性材料2为具有弹性的金属长条薄片、合金长条薄片或复合材料长条薄片，所述弹性材料具体为铜、钛合金、镍基合金或不锈钢。

永磁体3为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料或复合永磁材料。

聚磁环4为方形或者圆形结构，由n匝线圈缠绕。

聚磁环4为聚磁材料，具体为铁氧体、坡莫合金或非晶合金。

压电材料被紧密粘接在两片弹性材料之间，电流传感器在工作时，穿过聚磁环的电流将在聚磁环气隙处产生磁场，将该结构垂直放置于聚磁环的气隙中，使得长度方向平行于磁场方向，从而产生磁扭矩使得永磁体带动弹性材料振动，而由于弹性材料与压电材料通过黏合剂粘接，因此通过弹性材料对压电材料施加应力，使得压电材料在弹性材料的形变带动下产生应变，从而在压电材料上产生出一定频率的电压。在测试直流电流时，需要对缠绕在聚磁上的线圈通入一定频率的交流电压，该交流电压的频率接近压电材料与永磁体组成的悬臂梁的谐振频率，压电此时具有交流输出信号。由于通入的直流电流会对磁扭矩产生作用，继而体现在传感元件的交流输出信号的幅值变化上，由此完成对直流电流的测试。

实施例2

本实施例提供制造实施例1所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，将压电材料加工成尺寸为长Lx宽Wx高H的长方体结构，并用超纯水超声清洗压电材料；

步骤2，通过退火、蒸镀或磁控溅射的方式在压电材料的上表面和下表面镀上电极；

步骤3，将步骤2得到的压电材料沿厚度方向极化；

步骤4，导线分别贴合于压电材料的两个电极端面，用于传导电信号；

步骤5，提供两片弹性材料，将弹性材料加工成宽为W的长条薄片，并用酒精清洗干净；

步骤6，用黏合剂将贴合好导线的压电材料粘接在两片弹性材料首端之间，并将两片弹性材料的末端用胶粘剂贴合好，压电材料的厚度方向与弹性材料的厚度方向平行；

步骤7，用若干个永磁体以对称的数量，分别以垂直于弹性材料表面的方向，吸附在弹性材料末端，形成磁电复合材料；

步骤8，将磁电复合材料与聚磁环组合起来，并将两根导线引出信号，制作基于磁扭电机制的d33模式电流传感器。

实施例3

如图2所示，本实施例中的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器的工作模式示意图：由于压电材料1粘接固定在两层弹性材料2之间，当产生磁扭矩使得永磁体3带动弹性材料2振动时，压电材料1在交流磁场作用下会随着弹性材料2往复运动，则就会在压电材料1的上下表面产生电压输出信号。

如图3所示，基于磁扭电机制的d33模式电流传感器的频率响应测试图，改变输出交流信号的频率从而测试器件在不同频率下的幅频响应，从而得到器件谐振频率与有效带宽范围，测试结果反映如图，谐振频率接近200Hz，在谐振频率下具有超过1.2V/Oe的磁电耦合系数，并且在300Hz以后具有较为平坦的幅频特性曲线。

如图4所示，标准的交直流传感器检测台对传感器样机进行交流、直流大电流性能测试的结果，经标准的交直流传感器检测台测试验证，该传感器样机能够测量高达140A的交流电流，并且保持非线性误差在0.5％以内，同时能够探测到150uA大小的微弱交流电流；在直流电流的测试中，能够测量0.1A～100A的直流电流，并且保持非线性误差在1％以内。

本发明既能够利用磁扭矩放大应力，从而进行0.1A以下的小电流测量，同时又能克服应变介导工作模式的缺陷，从而进行100A以上的大电流测量。综合考虑性能、工作模式强度、应用场景、制备工艺和成本等因素，优化本发明中材料的选型，可以保证敏感元件的工作性能和寿命。因此，本发明在交直流大电流以及弱电流的测量方面，有着良好的应用价值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，包括：

压电材料(1)，沿着厚度方向极化，工作在d33模式下；

弹性材料(2)，用于固定压电材料(1)；所述压电材料(1)粘合在两片弹性材料(2)首端之间；

永磁体(3)，用于固定弹性材料(2)并在激励磁场中产生磁扭矩；两片弹性材料(2)的末端粘合后，两侧用若干相同数量的永磁体(3)夹住；

聚磁环(4)，用于向永磁体(3)提供激励磁场，所述聚磁环(4)上绕匝数为n的线圈。

2.根据权利要求1所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述压电材料(1)包括上电极面(5)和下电极面(6)，所述上电极面(5)和下电极面(6)外接导线。

3.根据权利要求2所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述弹性材料(2)与上电极面(5)之间，弹性材料(2)与下电极面(6)之间，以及弹性材料(2)与弹性材料(2)之间用黏合剂连接。

4.根据权利要求3所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述压电材料(1)为长方体结构，压电材料(1)的数量为1，且上电极面(5)和下电极面(6)位于长方体结构面积最大的两个面上。

5.根据权利要求1所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述压电材料(1)为单晶或者多晶陶瓷材料；具体为AlN、石英、LiNbO₃、BaTiO₃、ZnO、PbZrO₃、PbTiO₃、PbNbO₃-PbTiO₃、PbMgO₃-PbTiO₃、PbZnO₃-PbTiO₃、PbNbO₃-PbTiO₃或BiScO₃-PbTiO₃。

6.根据权利要求1所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述弹性材料(2)为具有弹性的金属长条薄片、合金长条薄片或复合材料长条薄片，所述弹性材料(2)具体为铜、钛合金、镍基合金或不锈钢。

7.根据权利要求1所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述永磁体(3)为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料或复合永磁材料。

8.根据权利要求1所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述聚磁环(4)为方形或者圆形结构，并由n匝线圈缠绕。

9.根据权利要求8所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器，其特征在于，所述聚磁环(4)为聚磁材料，具体为铁氧体、坡莫合金或非晶合金。

10.制造权利要求1-9任意一项所述的基于磁扭电机制的d33模式电流传感器的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，将压电材料加工成尺寸为长Lx宽Wx高H的长方体结构，并用超纯水超声清洗压电材料；

步骤2，通过退火、蒸镀或磁控溅射的方式在压电材料的上表面和下表面镀上电极；

步骤3，将步骤2得到的压电材料沿厚度方向极化；

步骤4，导线分别贴合于压电材料的两个电极端面，用于传导电信号；

步骤5，提供两片弹性材料，将弹性材料加工成宽为W的长条薄片，并用酒精清洗干净；

步骤6，用黏合剂将贴合好导线的压电材料粘接在两片弹性材料首端之间，并将两片弹性材料的末端用胶粘剂贴合好，压电材料的厚度方向与弹性材料的厚度方向平行；

步骤7，用若干个永磁体以对称的数量，分别以垂直于弹性材料表面的方向，吸附在弹性材料末端，形成磁电复合材料；

步骤8，将磁电复合材料与聚磁环组合起来，并将两根导线引出信号，制作基于磁扭电机制的d33模式电流传感器。