专利名称：采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量直流电流或直流电压的方法，更确切地说，是一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法。
背景技术：
电流传感器已经广泛地用于现代电力电子系统中，在监控和保护电力系统方面起着非常重要的作用。测量电流的方法有很多，典型的有基于霍尔效应、磁通门、磁阻、光纤技术、欧姆电阻定律、引线电阻技术、罗果夫斯基线圈、电流互感器、偏振检测、干涉仪检测、磁感应等原理的方法。随着MEMS技术的发展以及电力电子模块集成化的趋势，新近又出现了基于压电微悬臂梁测量直流或是交流电流的方法。为了便于电流的数字控制和监控，电流信息需要转化为数字信号，但几乎所有根据这些方法制造的电流传感器的输出信号都是模拟信号，这就需要额外的模拟数字转换器。此外，在测定微小电流时，还需要对输出信号进行放大、滤波等处理，这不仅增加了传感器的体积，还增加了制造成本。谐振式传感器不仅具有高的稳定性和分辨率，而且它的输出即为准数字信号，采用这种原理制造的电流传感器很容易实现高集成、高效率以及更加复杂的电流控制技术，同时，准数字信号输出也为信号的长距离传输提供了有利条件。目前，有报道的谐振式电流传感器为采用压电悬臂梁制作而成，可以实现O-20mA的直流电流测量，但是，压电悬臂梁本身也容易受到外界电场的干扰，影响测量结果的精度，而且这种传感器灵敏度较低(约为0.0025Hz/mA2)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法 ，通过检测悬臂梁的谐振频率实现直流电流或直流电压的测量，以解决现有直流电流或直流电压测量方法输出为非数字信号或者输出灵敏度过低等缺点。为了克服现有方法的缺点，本发明提供一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，将所述压阻式悬臂梁置于匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，所述悬臂梁上的激励线圈上施加有正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力发生往复振动，所述悬臂梁的振动通过压阻惠斯通电桥感知，所述压阻惠斯通电桥的偏置电流或偏置电压由恒流源或恒压源提供，当惠斯通电桥的偏置电流为I1或偏置电压为V1时，所述惠斯通电桥的输出电压为U1 ;通过改变正弦交流电压的频率改变悬臂梁的振动频率，当正弦交流电压的频率等于悬臂梁的固有频率时发生谐振，通过正弦交流电压的频率与悬臂梁的输出电压之间对应关系曲线拟合得到悬臂梁的谐振频率；重复上述步骤，确定电流工作方程f=al2+b或电压工作方程f=aV2+b中的参数a和b，即可通过该悬臂梁测量未知直流电流或未知直流电压的大小。一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，包括以下步骤:(I)将该悬臂梁置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，然后通过第一和第二焊盘给悬臂梁上的激励线圈提供一个正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力将会发生往复振动；(2)悬臂梁的振动通过置于悬臂梁根部的压阻惠斯通电桥感知，由一恒流源或恒压源通过第三、第四、第六和第七焊盘供给惠斯通电桥偏置电流为I1或偏置电压为V1时，使用锁相放大器通过第五和第八焊盘测量惠斯通电桥的输出U1 ；(3)改变输入的交流电压的频率，悬臂梁的振动频率随之发生改变但等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁的固有频率时将会发生谐振，通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大器的输出数据，进行拟合即可得到悬臂梁的谐振频率为;(4)重复步骤(2)和(3)，改变输入的偏置电流为I2或偏置电压为V2，此时测得悬臂梁的谐振频率为f2 ;(5)根据以上测量结果以及电流工作方程f=al2+b或电压工作方程f=aV2+b，确定电流或电压工作方程中的待定参数a和b ;当该悬臂梁(11)用于某未知直流电流或直流电压的测量时，根据测得的谐振频率f，以及参数a和b，即可计算出该未知直流电流或直流电压大小。作为本发明的·优选实施例，所述的压阻式悬臂梁，是矩形悬臂梁或三角形悬臂梁或梯形悬臂梁。作为本发明的优选实施例，所述的压阻式悬臂梁，其固支条件为单端固支，或双端固支或者四周固支。作为本发明的优选实施例，所述的压阻式悬臂梁是采用磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。本发明采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，至少具有以下优点:磁激励的高效性可以显著减少激励所需的能量，使其可以用在便携式设备中；压阻转换的使用使得谐振器制作简单、信号调理电路容易并且具有大的动态范围；输出信号为准数字信号，且灵敏度高。
图1为本发明所述的磁激励谐振压阻式悬臂梁平面结构示意图；图2为本发明的测量直流电流实验数据效果图；图中的标号如下表示:
权利要求
1.一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于:将所述压阻式悬臂梁置于匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁的长度方向，所述悬臂梁上的激励线圈上施加有正弦交流电压，悬臂梁受到交变的电磁力发生往复振动，所述悬臂梁的振动通过压阻惠斯通电桥感知，所述压阻惠斯通电桥的偏置电流或偏置电压由恒流源或恒压源提供，当惠斯通电桥的偏置电流为I1或偏置电压为V1时，所述惠斯通电桥的输出电压为U1;通过改变正弦交流电压的频率改变悬臂梁的振动频率，当正弦交流电压的频率等于悬臂梁的固有频率时发生谐振，通过正弦交流电压的频率与悬臂梁的输出电压之间对应关系曲线拟合得到悬臂梁的谐振频率；重复上述步骤，确定电流工作方程f=al2+b或电压工作方程f=aV2+b中的参数a和b，即可通过该悬臂梁测量未知直流电流或未知直流电压大小。
2.一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)将该悬臂梁(11)置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着悬臂梁(11)的长度方向，然后通过第一和第二焊盘(1、2 )给悬臂梁(11)上的激励线圈(10 )提供一个正弦交流电压，悬臂梁(11)受到交变的电磁力将会发生往复振动； (2)悬臂梁(11)的振动通过置于悬臂梁(11)根部的压阻惠斯通电桥(9)感知，由一恒流源或恒压源通过第三、第四、第六和第七焊盘(3、4、6、7)供给惠斯通电桥(9)偏置电流为I1或偏置电压为V1时，使用锁相放大器通过第五和第八焊盘(5、8)测量惠斯通电桥(9)的输出U1 ； (3)改变输入的交流电压的频率，悬臂梁(11)的振动频率随之发生改变但等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁(11)的固有频率时将会发生谐振，通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大 器的输出数据，进行拟合即可得到悬臂梁(11)的谐振频率为fl ； (4)重复步骤(2)和(3)，改变输入的偏置电流为I2或偏置电压为V2，此时测得悬臂梁(11)的谐振频率为; (5)根据以上测量结果以及电流工作方程f=al2+b或电压工作方程f=aV2+b，确定电流或电压工作方程中的待定参数a和b;当该悬臂梁(11)用于某未知直流电流或直流电压的测量时，根据测得的谐振频率f，以及参数a和b，即可计算出该未知直流电流或直流电压大小。
3.如权利要求1所述的采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于:所述的压阻式悬臂梁，是矩形悬臂梁或三角形悬臂梁或梯形悬臂梁。
4.如权利要求2或3所述的采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于:所述的压阻式悬臂梁，其固支条件为单端固支，或双端固支或者四周固支。
5.如权利要求2所述的采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，其特征在于:所述的压阻式悬臂梁是采用磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。
全文摘要
本发明提供了一种采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法，根据直流电流或直流电压流过惠斯通电桥前后悬臂梁的频率偏移与对应的电流或直流电压之间的工作方程，即可实现直流电流或直流电压的测量。磁激励的高效性可以显著减少激励所需的能量；压阻转换的使用使得悬臂梁工艺制作简单、信号调理电路容易；输出信号为准数字信号，且灵敏度高。
文档编号G01R19/00GK103245819SQ20131014355
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者蒋庄德, 张桂铭, 赵立波, 徐龙起, 赵玉龙, 王苑, 王久洪, 苑国英 申请人:西安交通大学