CN202057292U - 一种压电式电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种压电式电流传感器，其特征在于：电流传感器由通电导体(1)、压电材料(2)、电极(3)、绝缘外壳(4)、连接件(5)、信号引线(6)和信号处理及显示系统(7)组成，由连接件(5)将通电导体(1)形变产生的压力通过绝缘外壳(4)传递至压电材料(2)并在压电材料(2)上形成预压力，压电材料产生的电压信号由电极(3)和信号引线(6)引出并传输到信号处理及显示系统(7)。新型压电式电流传感器可以在大的动态范围内测量高频交变电流和瞬变的脉冲电流，具有结构简单、体积小、高绝缘隔离、受电磁干扰小、温度特性好的特点。

Description

一种压电式电流传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于通电导体受压形变、并采用压电器件测量导体形变的电流传感器，在供电和变电设备的电流测量和控制方面具有特殊用途，也可广泛用于工业产品和设备的电流测量、控制、校准以及过流保护和监控，包括铁路机动车辆瞬时电流检测以及金属冶炼和化工等行业大电流的测量、控制与保护。 

背景技术

电流传感和测量是工程技术以及科学研究中广泛涉及的一个研究课题，如供电和变电设备的电流测量和控制，工业产品和设备的电流测量、控制、校准以及过流保护和监控。目前传统的电流传感器有电表、基于霍尔效应的电流传感器和基于法拉第效应的光纤电流传感器。传统电表使用简单、但需要与通电导体串联使用，而且测量电流小；基于霍尔效应的电流传感器的结构简单、但温度特性不佳，受温度漂移的影响大、大电流导致铁芯磁饱和；基于法拉第效应的光纤电流传感器受电磁干扰小、但受温度漂移的影响大，且结构复杂，成本较高，目前市场还少见成熟的光纤电流传感器。上述三种电流传感器均为有源传感器，工作时需要供电。 

实用新型内容

本实用新型提供一种基于通电导体受压形变的压电式电流传感器，采用压电器件测量导体形变和导体电流。通电导体形变测量的压电式电流传感器为一种无源电流传感器。本实用新型提供的电流传感器具有结构简单、高绝缘隔离、受电磁干扰小、温度特性好的特点。这种新型电流传感器的测量范围广、响应时间短，可以检测传统电流传感器所不能检测的大电流值，为高功率供电和变电设备的电流测量和控制提供一种可靠技术手段。 

本实用新型的目的是通过如下途径实现的： 

一种压电式电流传感器，电流传感器由通电导体、压电材料、电极、绝缘外壳、连接件、信号引线和信号处理及显示系统组成，由连接件将通电导体形变产生的压力通过绝缘外壳传递至压电材料并在压电材料上形成预压力，压电材料产生的电压信号由电极和信号引线引出并传输到信号处理及显示系统。 

更进一步的，通电导体由铁磁导体材料构成。 

更进一步的，由压电材料和电极组成的压电器件可为单层结构或串联组成的多层结构。 

更进一步的，由压电材料和电极组成的压电器件可为单层环状结构或串联组成的多层环状结构，柱型通电导体形变产生的压力通过绝缘外壳传递至单层或多层环状压电器件。 

本实用新型的原理如下： 

本实用新型的原理是基于通电导体受压形变、并采用压电器件测量导体形变的电流传感器。设电流I通过半径为a的无限长圆柱形导线。柱形导线内的电流密度J为I/(πa²)。电流产生的磁场H平行于截面并垂直于柱体径向r，如图1所示。根据安培环路定理，传导电流产生的磁场H为： 

$H=\frac{I}{2\mathrm{\πa}},(r=a),$

$H=\frac{\mathrm{rI}}{{2\mathrm{\&pi;a}}^2},(r<a).$

取一小夹角为δθ的扇形截面，单位长度扇形截面所受的洛伦兹压力F为： 

$F=\&Integral;j\&times;\mathrm{BdV}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{I}^2}{{6\mathrm{\&pi;}}^{2}a}\mathrm{\&delta;\&theta;},$

式中B为磁感应强度(B＝μ₀H，μ₀为真空磁导率)。洛伦兹力F的方向平行于柱形导线的径向并指向轴心。柱体表面的压强f为： 

$f=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{I}^2}{6{\left(\mathrm{\&pi;a}\right)}^2},$

压强的大小正比于电流的平方I²，反比于柱体的截面积πa²。作用于单位长度柱体外表面的洛伦兹压力P为： 

$P=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{I}^2}{3\mathrm{\&pi;a}}.$

如果圆柱形导线为铁磁材料(Fe，Co，Ni及其合金)，则磁导率μ为μ＝μ₀μ_r，式中μ_r为相对磁导率。一般金属导体的相对磁导率为μ_r≈1。由于铁磁材料的相对磁导率很高(对于纯铁，μ_r≈5000)，因此电流通过铁磁材料引起的形变很大。电流通过单位长度铁磁材料柱体外表面所产生的洛伦兹压力为： 

$P=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r{I}^2}{3\mathrm{\&pi;a}}.$

在电流作用下，柱体产生的径向变化δr为： 

$\mathrm{\&delta;r}=-\frac{{\mathrm{\&beta;\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r{I}^2}{6\mathrm{\&pi;}},$

式中β为导体的压缩系数。对于纯铁，β＝6.135×10^-12(m²/N)。由上式估算的径向变化的数值为：δr＝-2×10^-15I²(m)。如果通电电流为1000A，则径向变化值为2nm。通过大电流的导体都会受到很大的压力。洛伦兹力使柱形导线产生形变。压强和形变的大小正比于电流的平方I²。设交变电流的频率为f，则导线形变的频率为2f。交变电流的频率一般为50Hz或60Hz，因此导线形变的频率为100Hz或120Hz，处于声频范围内。通过探测柱体表面的压强或形变即可测量通过圆柱形导线的电流。本实用新型采用压电器件探测柱体表面的形变。通过提取压电器件产生的频率为2f的电压信号即可探测通过圆柱形导线的电流。由于交变电流的频率为f，因此新型电流传感器受传导电流的电磁干扰小。在2f频率处，压电器件产生的电压信号幅值V与交变电流和瞬变脉冲电流I之间的关系为： 

I＝kV， 

式中k为比例常数。当一已知交变电流通过导体时测量压电器件产生的电压信号、确定比例常数为k，并完成对系统的标定。压电器件的响应时间短、动态范围广，因此新型电流传感器可以在大的动态范围内测量高频交变电流和瞬变的脉冲电流。 

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明： 

图1为圆柱形通电导体受力分析示意图； 

图2为连接于通电导体电流传感器的结构示意图； 

图3为连接于通电导体为铁磁材料的电流传感器的结构示意图。 

具体实施例

实施例1：通电导体形变测量的电流传感器由通电导体1、压电材料2、电极3、绝缘外壳4、连接件5、信号引线6和信号处理及显示系统7组成，如图2所示。由连接件5将通电导体1形变产生的压力通过绝缘外壳4传递至压电材料2并在压电材料2上形成预压力，压电材料产生的电压信号由电极3和信号引线6引出并传输到信号处理及显示系统7。压电材料可为晶体材料(α-SiO₂，ZnO，LiNbO₃，LiTaO₃，AlPO₄，BaTiO₃等)，陶瓷材料(BaTiO₃-陶瓷，PZT等)，高分子压电材料(PVDF等)。由压电材料2和电极3组成的压电器 件可为单层结构或串联组成的多层结构。绝缘外壳4可选择机械和绝缘性能好的Al₂O₃-陶瓷或酚醛树脂等绝缘材料。在2f频率处，压电器件产生的电压信号幅值V与频率为f的交变电流和瞬变脉冲电流I之间的关系为I＝kV，式中k为比例常数。当一已知交变电流Ir通过导体1时，设压电器件产生的电压信号的测量值为Vr，则比例常数为：k＝Ir/Vr。系统标定之后，交变电流和瞬变脉冲电流I与压电器件产生的电压信号V之间的关系为：I＝IrV/Vr。 

实施例2：通电导体形变测量的电流传感器由通电铁电导体1、压电材料2、电极3、绝缘外壳4、信号引线5和信号处理及显示系统6组成，如图3所示。通电铁电导体形变产生的压力通过绝缘外壳4传递至压电材料2；压电材料产生的电压信号由电极3和信号引线5引出并传输到信号处理及显示系统6。压电材料可为晶体材料(α-SiO₂，ZnO，LiNbO₃，AlPO₄，BaTiO₃等)，陶瓷材料(BaTiO₃-陶瓷，PZT等)，高分子压电材料(PVDF等)。由压电材料2和电极3组成的环状压电器件可为单层结构或串联组成的多层结构。绝缘外壳4可选择机械和绝缘性能好的Al₂O₃-陶瓷或酚醛树脂等绝缘材料。柱型铁电导体1和环状压电器件呈紧配合连接并在压电器件2上形成预压力。由于铁磁材料的相对磁导率很高(对于纯铁，μ_r≈5000)，因此电流通过铁磁材料引起的形变很大。电流通过单位长度铁磁材料柱体外表面所产生的洛伦兹压力为： 

$P=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r{I}^2}{3\mathrm{\&pi;a}}.$

在电流作用下，柱体产生的径向变化δr为： 

$\mathrm{\&delta;r}=-\frac{\mathrm{\&beta;}{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r{I}^2}{6\mathrm{\&pi;}},$

式中β为导体的压缩系数。对于纯铁，β＝6.135×10^-12(m²/N)。由上式估算的径向变化的数值为：δr＝-2×10^-15I²(m)。如果通电电流为1000A，则径向变化值为2nm。通过大电流的导体都会受到很大的压力。压电器件产生的电压信号幅值V与交变电流和瞬变脉冲电流I之间的关系为I＝kV，式中k为比例常数，当一已知电流Ir通过导体1时设压电器件产生的电压信号的测量值为Vr，则比例常数为：k＝Ir/Vr。系统标定之后，交变电流和瞬变脉冲电流I与压电器件产生的电压信号V之间的关系为：I＝IrV/Vr。 

在本实用新型中由于压电材料为高阻抗材料，因此可以实现通电导体与电流传感器的高绝缘隔离。如果采用石英压电晶体的AT切片制成压电器件，则压电器件和电流传感器的温度性能稳定、受温度漂移的影响小。新型电流传感器是通过提取压电器件产生的频率为2f的电压信号来探测通过导线的电流。由于交变电流的频率为f，因此新型电流传感器 受传导电流的电磁干扰小。压电器件的响应时间短、动态范围广，因此新型电流传感器可以在大的动态范围内测量高频交变电流和瞬变的脉冲电流。本实用新型提供的电流传感器具有结构简单、体积小、高绝缘隔离、受电磁干扰小、温度特性好的特点。 

Claims (4)

1.一种压电式电流传感器，其特征在于：电流传感器由通电导体(1)、压电材料(2)、电极(3)、绝缘外壳(4)、连接件(5)、信号引线(6)和信号处理及显示系统(7)组成，由连接件(5)将通电导体(1)形变产生的压力通过绝缘外壳(4)传递至压电材料(2)并在压电材料(2)上形成预压力，压电材料产生的电压信号由电极(3)和信号引线(6)引出并传输到信号处理及显示系统(7)。

2.如权利要求1所述的一种压电式电流传感器，其特征在于：通电导体(1)由铁磁导体材料构成。

3.如权利要求1所述的一种压电式电流传感器，其特征在于：由压电材料(2)和电极(3)组成的压电器件可为单层结构或串联组成的多层结构。

4.如权利要求1所述的一种压电式电流传感器，其特征在于：由压电材料(2)和电极(3)组成的压电器件可为单层环状结构或串联组成的多层环状结构，柱型通电导体(1)形变产生的压力通过绝缘外壳(4)传递至单层或多层环状压电器件。

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