一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器的制作方法

本发明涉及交流电流传感器领域，尤其涉及一种带有C型磁环的基于磁电层状复合材料的交流电流传感器。

背景技术：

在电流检测领域，最为常见的两种手段是采用互感线圈或霍尔电流传感器，然而它们各自都存在一些不足之处：互感线圈必须事先接入待测电路，当需要临时测量工作中的主电路时，必须先断开主电路，待互感线圈器接入主电路后再恢复工作，不利于安装和维护；霍尔电流传感器是有源器件，工作时要求外电源为其提供恒定的直流电流。此外，还可采用磁电层状复合材料制备电流传感器，该电流传感器本质上测量的是待测电流的磁场，且无需外部电源供电，在电路上可等效成无源二端流控电压源，因而不存在前述互感线圈和霍尔电流传感器的问题。

近年来，利用磁电层状复合材料制作电流传感器的研究发展十分迅速。对于基于磁电层合材料的电流传感器而言，需要关注的指标包括电流检测的幅值范围、频率范围以及测量灵敏度，这三者决定了基于磁电层合材料的电流传感器的电流检测能力和应用场合。

2004年，美国弗吉尼亚理工大学的董蜀湘等人制作并改进了一种环形结构的磁电层合材料，其由两层沿环形方向磁化的磁致伸缩材料(Terfenol-D)01和一层沿厚度方向极化的压电材料(PZT)02粘接成如图1所示的三明治结构,，可作为交流磁场和电流传感器。该电流传感器中磁电层合材料的直径为8mm，厚度为7.5mm，在10^-8A到10^-4A电流范围内具有0.7mV/mA的测量灵敏度^[1]。2010年，香港理工大学的Chung Ming Leung等人设计了一种用于交流电流检测的环形磁电层合材料，其也由两层沿环形方向磁化的磁致伸缩材料Terfenol-D和一层沿厚度方向极化的压电材料PZT粘接成三明治结构，其外径为12.5mm，内径为5mm，厚度为7.5mm，在0.01A到1A电流范围内具有12.6mV/A的测量灵敏度^[2]。需要说明，测量灵敏度实际上反映了两点信息：传感器输出电压和待测电流之间特性曲线的斜率，以及传感器检测电流的分辨能力。测量灵敏度越大，则传感器电压电流特性曲线的斜率越大，传感器检测电流的分辨能力越高。

在这些研究中，制成的基于环形磁电层合材料的电流传感器虽然都能够完成电流检测任务，具有较高的测量灵敏度，但存在两方面的不足：一是难以做成开口结构，而载流导线又必须从传感器环中穿心而过，这给传感器的安装和维护带来了一些不便，即在安装或维护传感器时不得不先断开主电路，再进行停电穿线作业；二是磁电层合材料的环形结构很大程度上限制了可测的电流范围，通常只能限定测量在1A以下的交流电流，在检测安到百安量级的电流时有所欠缺。

[1]Dong S,Li J,Viehland D.Vortex magnetic field sensor based on ring-type magnetoelectriclaminate[J].Applied Physics Letters,2004,85(12):2307-2309.

[2]Leung C M,Or S W,Zhang S,et al.Ring-type electric current sensor based on ring-shaped magnetoelectric laminate of epoxy-bonded Tb0.3Dy0.7Fe1.92short-fiber/NdFeB magnet magnetostrictive composite and Pb(Zr,Ti)O3piezoelectric ceramic[J].Journal of Applied Physics,2010,107(9):9D-918D.

技术实现要素：

为了在电流传感器的设计和实现方案中着眼于大电流检测，并充分考虑便于测量、安装和维护的要求，本发明提出了一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器，其能够有效测量几安到几百安级别的交流电流，并在安装和维护的便捷性上具有一定的优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器，该交流电流传感器为由C型磁环和位于该C型磁环缺口处的测量模块构成的一个闭合环状结构，C型磁环和测量模块之间通过承托层形成可拆卸连接；其中，所述测量模块为层状结构，包括中部的磁电层合材料、以及沿该磁电层合材料厚度方向对称设置的永磁体层；所述C型磁环和永磁体层的截面均完全覆盖磁电层合材料的截面。

所述C型磁环采用相对磁导率大于1000的磁性材料制成。

所述磁电层合材料平面呈圆形或者四边形。

本发明的有益效果是：(1)高导磁材料制成的C型磁环套在待测通电导线外，可以起聚磁作用，将导线产生的交流磁场汇聚穿过圆片形磁电层合材料的厚度方向，有利于提高传感器的测量灵敏度；(2)便于安装和维护，使用时不必对待测线路进行断电或改接，也不必对其额外供电，属于无源器件；(3)在测量有效值700A以内的大电流时，输出电压波形与待测电流波形相吻合，输出电压与待测电流的幅值之间具有良好的线性关系，其测量灵敏度和已有的基于磁电层合材料的电流传感器的灵敏度均处于mV/A的数量级。由灵敏度和输出电压可以方便地推得待测电流值；(4)抗干扰能力较好，在侧端放置方式下，能够几乎完全屏蔽一定距离以外邻相导线产生的电磁干扰；(5)能够实现宽频带测量，在40Hz到1500Hz范围内有相对平坦的电压输出，既适用于智能家电等工频环境，也适用于谐波电流等高频场合。

附图说明

图1为文献[1]中的基于环形磁电层合材料的电流传感器的结构示意图；

图2为本发明的三维结构示意图；

图3为本发明实施例中圆片形磁电层合材料的结构示意图；

图4为本发明实施例中磁致伸缩材料Terfenol-D的动态磁致伸缩系数曲线；

图5为本发明实施例的电压电流特性曲线(765A以下)；

图6为本发明实施例的频率特性曲线；

图7为本发明实施例中邻相导线的不同放置情况示意图。

图中，1.C型磁环，2.载流导线，3.磁致伸缩层，4.压电层，5.永磁体层，6.承托层，7.环氧树脂胶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下：

本发明提出的一种带有C型磁环的基于磁电层合材料的交流电流传感器，整体结构如图2所示，该交流电流传感器为由C型磁环1和位于该C型磁环缺口(该缺口即为C型磁环的气隙)处的测量模块构成的一个闭合环状结构，C型磁环1和测量模块之间通过承托层6形成可拆卸连接；其中，测量模块为层状结构，包括中部的磁电层合材料、以及沿该磁电层合材料厚度方向对称设置的永磁体层5，所述C型磁环1和永磁体层5的截面均需完全覆盖磁电层合材料的截面。

本发明交流电流传感器各组成部件的具体实现方式及功能详细说明如下：

所述磁电层合材料平面呈圆形或者四边形，由磁致伸缩层(M)3、压电层(P)4、磁致伸缩层(M)3按顺序依次通过环氧树脂胶7粘合而成。本实施例的磁电层合材料整体呈圆柱状，如图3所示，磁致伸缩层3和压电层4均为圆片形，分别采用沿厚度方向磁化的稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)和沿厚度方向极化的压电陶瓷片(PZT)制成，各层厚度均为2mm、直径均为2cm。制作工艺如下(该制作工艺为常规技术手段)：使用环氧树脂胶7将材料按M-P-M顺序依次层合粘合后，在85℃温度下烘烤6小时，待环氧树脂胶固化后，采用导电银胶在磁电层合材料上下表面引出导线。由于Terfenol-D为电的良导体，从磁电层合材料上下表面导线引出的输出电压即为PZT电极化产生的电位差。该圆片形磁电层合材料的工作原理如下：在由永磁体层5提供的直流偏置磁场下，磁致伸缩层3 受外界沿该磁致伸缩层厚度方向的交变磁场激发，会因磁致伸缩效应而产生径向的、与交变磁场同频率的形变，这一形变通过环氧树脂胶7传递至压电层4，使之由于压电效应产生沿厚度方向的电极化，体现为厚度方向上产生同频率电压。因此，它可以将待测电流产生的磁场转化为电压信号，从而间接地给出待测电流的频率、幅值等信息，完成电流检测任务。电流测量灵敏度和磁致伸缩材料的动态磁致伸缩系数成正比，而动态磁致伸缩系数是关于磁场的函数。因此结合实际应用场合，可通过改变直流偏置磁场以改变磁致伸缩材料的动态磁致伸缩系数，从而达到改变磁电层合材料的电流测量灵敏度的目的。动态磁致伸缩系数分为纵向磁致伸缩系数d_33,m和横向磁致伸缩系数d_31,m，本实施例中磁致伸缩材料Terfenol-D经测量得到的动态磁致伸缩系数曲线如图4所示。可以看出，纵向磁致伸缩系数d_33,m随着磁场的增加，呈现先上升后下降的趋势；而横向磁致伸缩系数d_31,m是磁场的单调函数，随着磁场的增加逐渐上升。检测时输出电压和待测电流需一一对应，即输出电压需是待测电流的单调函数，也即测量灵敏度需是直流磁场的单调函数，因此采用d_31,m工作模式的磁电层合材料可以检测的电流范围更大。文献[1]和[2]中Terfenol-D沿环形方向磁化，测量灵敏度和纵向磁致伸缩系数d_33,m成正比，而在本实施例中采用的圆片形Terfenol-D沿厚度方向磁化，测量灵敏度和横向磁致伸缩系数d_31,m成正比，此举可以有效地增加本传感器的检测电流范围。

所述C型磁环选择相对磁导率大于1000的磁性材料，该C型磁环主要起聚磁作用。本实施例的C型磁环采用相对磁导率为1000的铁氧体，该铁氧体磁环的外径102mm、内径65mm、气隙长30mm。当载有待测电流的导线穿过C型磁环中心时，该磁环可以提供一个相对闭合的磁路，使得待测电流产生的交流磁场能够通过该磁路作用于圆片形磁电层合材料上，并对外界的杂散磁场起屏蔽作用。此外，为使磁电层合材料中的磁致伸缩层3能够获得较大的动态磁致伸缩系数，以提高电流测量灵敏度，还需沿磁电层合材料的厚度方向对称地加入一对永磁体层5来提供直流偏置磁场，本实施例采用表面磁场强度为1150Oe的钕铁硼永磁体作为永磁体层5。将圆片形磁电层合材料和永磁体层5置入C型磁环1的气隙中，永磁体层5和C型磁环1之间由主要起固定和承托作用的承托层6进行填充，该承托层可采用硬质纸片或海绵制成。为使C型磁环1中的交流磁场和永磁体层5提供的直流偏置磁场均匀穿过圆片形磁电层合材料，C型磁环1和永磁体层5的截面均需完全覆盖圆片形磁电层合材料的截面。

本发明中位于C型磁环气隙中的测量模块和承托层6，可以从气隙中取出。在测量电流时可以先让载流导线从C型磁环气隙中穿入，再将测量模块和承托层置入气隙中。通过示波器或者锁相放大器测量压电层两端的输出电压，即可间接得到待测交流电流值。在使用该交流电流传感器时无需改变待测线路的拓扑，本发明装置可以随时装卸，且安装和维护均较方便。

本实施例交流电流传感器的有效性验证：

1、测量灵敏度检测

使用本实施例的电流传感器测量待检测电路中载流导线中的电流，该待检测电路包括调压器、变流器、载流导线、钳形电流表、精度为0.5级、额定电流比为750A/5A的标准电流互感器和示波器；由调压器产生一个幅值可调的工频电压，该电压接到变流器输入端；变流器内部为绕有多匝线圈的铁芯，该铁芯工作原理与变压器原理类似，可在作为副边的短路载流导线上产生高达几百安的大电流；载流导线依次穿过钳形电流表和标准电流互感器，其中钳形电流表用于待测电流的粗测，方便试验时调节调压器输出电压；标准电流互感器的输出端接有阻值为2.13Ω的标准电阻丝，电阻丝两端的电压接入示波器，换算出当前待测电流的精确值，作为参考标准。

本实施例电流传感器的测量过程为：先让载流导线从C型磁环的气隙中嵌入，再在气隙中置入承托层6和测量模块，这样即可在保持待测电路闭合的情况下实现电流的测量。将由本实施例电流传感器引出的一对输出端接入示波器，示波器显示的电压值间接作为当前电流的测量值。

截取765A以下的测量结果进行线性拟合，线性拟合的截距项设定为0.049V，即当载流导线中无电流时传感器在试验环境电磁干扰下的输出。拟合得到的结果如图5所示。

由拟合结果可知，在测量700A以下的工频大电流时，传感器的输出电压幅值与待测电流幅值之间存在良好的线性关系，本实施例的测量灵敏度为4.5mV/A，和已有的基于磁电层合材料的电流传感器的灵敏度均处于mV/A的数量级。虽然从数值上来看，本实施例的4.5mV/A小于文献[2]中的12.6mV/A，但由于几百安的大电流对应的输出电压不能超过示波器或者锁相放大器的量程，而示波器或者锁相放大器的输出电压量程较小，因此一个较小数值的mV/A数量级的测量灵敏度更适用于大电流检测。

2、频率特性检测

为测定本实施例电流传感器的频率特性，采用功率信号发生器产生有效值为200mA的电流，利用漆包线作为载流导线，将其密绕于本实施例电流传感器的C型磁环上共100匝，获得相当于20A的等效电流。试验中信号发生器产生电流信号的最低频率为10Hz，依次增大频率并保证输出电流幅值不变，观察本实施例电流传感器的输出电压，如图6所示。

可以发现，本实施例电流传感器的输出电压随测量频率升高整体呈下降趋势，并在相当一段频率范围内有着平坦的输出。以50Hz的输出电压为基准，本实施例电流传感器在25Hz到3000Hz范围内输出电压的偏差在±5％以内，在40Hz到1500Hz范围内输出电压的偏差在±2％以内。因此，该传感器能够在工频30倍频内有着相对平坦的输出，具备宽频带测量的能力。具体来说，既适用于智能家电等工频环境，也适用于谐波电流等高频场合。

3、抗邻相电流干扰能力检测

测量大电流对应的场合往往并不是仅存在待测的单相电流，而是除了待测电流之外，附近还有其他的大电流与其组成三相电流。因此，邻相电流的电磁干扰有可能对传感器的输出造成影响。为了确定本实施例电流传感器的抗邻相电流干扰能力，进行以下试验：

将邻相导线放置于图7中的A、B或C处，每次仅放置一根，分别研究本实施例电流传感器在三种不同情况下的抗干扰能力。仅放置导线A时，称此情况为近端情况；仅放置导线B时，称此情况为侧端情况；仅放置导线C时，称此情况为远端情况；假设待测载流导线与邻相导线之间的距离为d。

为确定本实施例电流传感器的抗邻相电流干扰能力，令待测载流导线无电流，邻相载流导线通入恒定的工频电流，对本电流传感器进行抗干扰试验，测试该传感器在不同工作情况、不同的两相导线距离d下的输出，并将其转换成对应的内部等效测量电流。这样可以直观地看出本来并未测量电流的传感器在邻相干扰下，测量出的等效误差电流。

保持邻相载流导线中的电流为工频有效值210A不变，依次分别改变邻相导线距离d为10cm，15cm，20cm，在三种不同的工作情况下获得传感器的输出电压，并转换成内部等效测量电流值，如下表所示。

(1)在邻相导线距离一定时，在侧端情况下传感器抗干扰能力更强。这是因为传感器中的磁电层合材料磁化方向为其厚度方向，当外磁场与其磁化方向相同时，磁致伸缩层才产生径向形变，从而使传感器产生电压输出。相比另两种情况，侧端情况能使邻相电流的磁场最小程度地沿厚度方向通过磁电层合材料，因此具有最好的抗干扰能力。在工程实际应用中大量存在着测量三相电流的场合，此时宜在此情况下进行测量。

(2)在传感器工作情况不变时，邻相导线距离越大，传感器受到的干扰越小。在侧端情况下，传感器测得的内部等效电流仅为0.3A，基本可忽略不计，即在邻相载流210A并与传感器距离30cm的外界条件下，采用上端放置方式的传感器已经基本不再受到干扰。在工程应用场合中，邻相载流导线之间均有规定的安全距离，对于在侧端情况下工作的传感器而言，其邻相抗干扰能力已可满足要求。