一种用于多种电缆的光电式电流检测装置及其检测方法与流程

本发明属于测量领域，尤其涉及一种电流检测装置及其检测方法，特别是一种用于多种电缆的光电式电流检测装置及其检测方法。

背景技术：

随着我国智能电网的快速发展以及“中国制造2025”的提出，动态测量技术的重要性突显。输电电缆以及各类高精尖设备越来越需要电流的动态测量，因此开发一种高响应速度的电流检测装置具有重要的意义。

根据gb-50217-2007电力电缆敷设规范，电缆有单芯、双芯、三相三芯、三相四芯、三相五芯等结构。传统的电流检测装置，每种只能测量其中一种电缆的电流，且不能同时测量直流电流和交流电流，不具有普适性。因此，开发一种适应所有结构电缆、可同时测量直流电流和交流电流的电流检测装置变得尤为重要。

电流检测装置的工作需要电流，如果单独配备电源，不但浪费资源，而且需要人工更换电池，不能在地下或高空等不便于维护的场合下进行长期电流测量。因此开发一种自供电的电流检测装置不但节约人力物力，而且以后还可升级成无线传感器网络的节点。

现有技术中的电流检测装置，主要有电容式电流传感器、悬臂梁谐振式电流传感器、霍尔电流传感器、全光纤电流传感器、磁通门电流传感器、罗氏线圈电流传感器、巨磁阻电流传感器等，存在着结构复杂、难以加工、成本高、应用范围小等问题。比如基于压电悬臂梁结构开发的被动式电流检测装置，无需驱动电源、无需剥离保护层就可以对双芯电缆进行高精度电流测量。但是它无法同时对直流电流和交流电流进行测量，也无法对三芯电缆、四芯电缆及五芯电缆等其他结构的电缆进行电流测量，实用性低。

技术实现要素：

本发明提供一种用于多种电缆的光电式电流检测装置及其检测方法，以解决现有技术中电流检测装置存在的结构复杂、难以加工、成本高、应用范围小等问题。

本发明采取的技术方案是：上端盖与封装通过联接螺栓固定，封装与上端盖分别有半圆柱形槽一和半圆柱形槽二，定位螺栓通过上端盖上的螺纹孔转动旋入半圆柱形槽一和半圆柱形槽二，在封装上开有透光孔，在该透光孔的内部固定有与透光孔尺寸一致的起偏器，悬臂梁与封装的一个内表面固定连接，在悬臂梁的自由端靠近透光孔的侧面固定有检偏器，在悬臂梁的自由端远离透光孔的侧面固定有光电转换元件，在悬臂梁的下表面贴有压电层，在悬臂梁的上表面固定有永磁体，在封装与透光孔正对的内表面上固定有电路部分。

所述光电转换元件为光电二极管、光电三极管、光敏电阻或硅光电池。

所述悬臂梁的数目为大于等于1的正整数。

所述悬臂梁的形状为长条形、变截面长条形、t形、u形、v形、三角形或音叉形。

所述压电层由下电极、压电片和上电极组成。

一种用于多种电缆的光电式电流检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)对电流检测装置进行调零；

步骤(2)确定被测电缆的芯数；

步骤(3)通过半圆柱形槽一和半圆柱形槽二将电流检测装置固定在被测电缆上，用联接螺栓锁紧上端盖与封装，通过上端盖上的螺纹孔旋入定位螺栓；

步骤(4)此时，被测电缆中的电流产生的磁场使永磁体受力，悬臂梁随之弯曲，检偏器的角度随之变化，其偏振方向随之变化，光通过透光口、起偏器与检偏器后，沿新的偏振方向有了新的分量，光电转换元件接收的光照度改变，光电转换元件的输出电压u1随之改变；光电转换元件的输出电压u1为交流电压，经过电路部分后，电路部分的输出电压u为直流电压，并且电路部分的输出电压u与被测电缆中电流的幅值i0呈线性关系；

步骤(5)绕被测电缆的轴线旋转被测电缆或者电流检测装置，直至输出电流值最大的位置，此时的输出电流值就是被测电缆中电流的幅值i0，被测电缆中电流的幅值i0可以通过电路部分的输出电压u与电流检测装置的参数值ks获得，公式如下：

i0＝ksu

对于直流电流：

对于对称负载下的交流电流：

其中：e为悬臂梁的弹性模量，i为悬臂梁横截面对弯曲中性轴的惯性矩，l为悬臂梁的长度，当被测电缆内部第i芯为零线时m＝1，当被测电缆内部第i芯为火线时m＝2，μ0为真空磁导率，br为永磁体剩余磁通量，v为永磁体体积，以通过永磁体5质心并垂直于永磁体上表面的直线为z轴、以通过永磁体质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立坐标系，xi、zi为电路部分的输出电压u最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆的芯数，a为被测电缆中零线与地线的总数，ω为被测电缆内部通交流电时的电流角频率，t为时间，为被测电缆内部第i芯的初相位，为被测电缆内部所有芯在永磁体处的叠加交流信号的初相位。

本发明的优点是：

(1)响应速度快：光信号为高速信号，并且光电式能量转换元件的响应时间非常短，相比霍尔电流传感器等传统的非光电式电流检测装置，本发明可以对电流进行高响应速度的动态测量，且响应范围可以通过提高悬臂梁的固有频率以继续扩大；

(2)实用性强：霍尔电流传感器由于原理限制，只能测量单根导线电流，因此对于多芯电缆需要剪开外部保护层才能实现测量，破坏了导线结构，增大了电流测量的复杂程度，本发明在不破坏电缆保护层的情况下，既可以同时测量单芯、双芯、三相三芯、三相四芯、三相五芯等各种结构电缆的电流，又可以同时测量直流电流和交流电流；

(3)可自供电：将压电层与悬臂梁做成一体，可以实现电流检测装置的自供电，不必定期更换电源，便于在地下或空中等不便维护的场合下进行长时间的电流测量。在光照不充足的场合下，可以内置红外光源、led光源等各种光源，由自供电元件为光源提供电能，在光照充足的场合下，光源使用自然光以减少自供电元件采集能量的时间，另外，除了采用压电层作为自供电元件以外，还可以采用电容等各种能够采集能量的元件作为自供电元件。

附图说明

图1是本发明的轴测图；

图2是本发明的主视图；

图3是图2的a-a面剖切后的轴测图；

图4是本发明检测单元结构的分解示意图；

图5是本发明检测单元结构的轴测图；

图6是本发明检测单元结构的主视图；

图7是本发明检测单元结构沿b-b面剖切的剖视图；

图8是本发明的悬臂梁的纵截面为三角形时，检测单元结构的轴测图；

图9是本发明的悬臂梁的纵截面为音叉形时，检测单元结构的轴测图；

图10是本发明的悬臂梁数目为2时，检测单元结构的轴测图；

图11是本发明的悬臂梁数目为n时，检测单元结构的轴测图；

图12是本发明检测双芯电缆电流的原理图；

图13是本发明检测四芯电缆电流的原理图；

图14是本发明检测五芯电缆电流的原理图；

图15是本发明以检测五芯电缆电流为例的位置关系图。

具体实施方式

如图1所示，上端盖9与封装8通过联接螺栓10固定，封装8与上端盖9各有一个半圆柱形槽一802和半圆柱形槽二901，定位螺栓11通过上端盖9上的螺纹孔转动旋入半圆柱形槽一802和半圆柱形槽二901，以实现对被测电缆的定位；如图4所示，在封装8上开有透光孔801，透光孔801的内部固定有与透光孔801尺寸一致的起偏器2，悬臂梁1与封装8的一个内表面固定连接，在悬臂梁1的自由端靠近透光孔801的侧面固定有检偏器3，在悬臂梁1的自由端远离透光孔801的侧面固定有光电转换元件4，在悬臂梁1的下表面贴有压电层6，在悬臂梁1的上表面固定有永磁体5；如图3所示，在封装8与透光孔801正对的内表面上固定有电路部分7。

所述光电转换元件4为光电二极管、光电三极管、光敏电阻、硅光电池等各种将光信号转换为电信号的元件。

所述悬臂梁1的数目为大于等于1的正整数，如图10、图11所示。

所述悬臂梁1为长条形、变截面长条形、t形、u形、v形、三角形、音叉形等各种形状，如图8、图9所示。

所述压电层6由下电极601、压电片602和上电极603组成，如图4所示。

如图4所示，光通过透光孔801、起偏器2与检偏器3照射到光电转换元件4上，通过光电转换元件4输出电压，当通电的被测电缆处于半圆柱形槽一802和半圆柱形槽二901中时，被测电缆中的电流产生的磁场使永磁体5受力，悬臂梁1随之弯曲，检偏器3的角度随之变化，通过起偏器2的光在通过检偏器3时，其偏振方向改变，光电转换元件4接收的光照度改变，光电转换元件4的输出电压随之改变。通过测量光电转换元件4的输出电压，可以反求被测电缆中电流的幅值，达到电流检测的效果。

一种用于多种电缆的光电式电流检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)对电流检测装置进行调零；

步骤(2)确定被测电缆的芯数；

步骤(3)通过半圆柱形槽一802和半圆柱形槽二901将电流检测装置固定在被测电缆上，用联接螺栓10锁紧上端盖9与封装8，通过上端盖9上的螺纹孔旋入定位螺栓11；

步骤(4)此时，被测电缆中的电流产生的磁场使永磁体5受力，悬臂梁1随之弯曲，检偏器3的角度随之变化，其偏振方向随之变化，光通过透光口801、起偏器2与检偏器3后，沿新的偏振方向有了新的分量，光电转换元件4接收的光照度改变，光电转换元件4的输出电压u1随之改变；光电转换元件4的输出电压u1为交流电压，经过电路部分7后，电路部分7的输出电压u为直流电压，并且电路部分7的输出电压u与被测电缆中电流的幅值i0呈线性关系；

步骤(5)绕被测电缆的轴线旋转被测电缆或者电流检测装置，直至输出电流值最大的位置，此时的输出电流值就是被测电缆中电流的幅值i0，被测电缆中电流的幅值i0可以通过电路部分7的输出电压u与电流检测装置的参数值ks获得，公式如下：

i0＝ksu

对于直流电流：

对于对称负载下的交流电流：

其中：e为悬臂梁1的弹性模量，i为悬臂梁1的横截面对弯曲中性轴的惯性矩，l为悬臂梁1的长度，当被测电缆内部第i芯为零线时m＝1，当被测电缆内部第i芯为火线时m＝2，μ0为真空磁导率，br为永磁体5剩余磁通量，v为永磁体5体积，以通过永磁体5质心并垂直于永磁体5上表面的直线为z轴、以通过永磁体5质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立坐标系，xi、zi为电路部分7的输出电压u最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆的芯数，a为被测电缆中零线与地线的总数，ω为被测电缆内部通交流电时的电流角频率，t为时间，为被测电缆内部第i芯的初相位，为被测电缆内部所有芯在永磁体5处的叠加交流信号的初相位。

以上电流检测装置样机的电路部分7的输出电压u与被测电流的幅值i0关系如下：

被测电流可通过以下方法求得：

通过半圆柱形槽一802和半圆柱形槽二901将装置固定在电流为i的被测电缆上，用联接螺栓10锁紧上端盖9与封装8，通过上端盖9上的螺纹孔旋入定位螺栓11，获得永磁体5受到的磁场力，通过磁场力使悬臂梁1弯曲，进而使检偏器3的偏振方向改变、光电转换元件4接收的光照度改变、光电转换元件4的输出电压改变、电路部分7的输出电压改变，测得被测电缆中电流的幅值i0。

根据以下公式可得到芯数为n的被测电缆周围任意位置的磁场强度、磁场梯度：

单根导线周围的磁场强度公式

单根导线周围的磁场强度在z轴方向的分量为

对于直流电流，芯数为n的被测电缆内部第i芯火线的电流ii＝i0，第i芯零线的电流ii＝-i0。

对于对称负载下的交流电流，芯数为n的被测电缆内部第i芯为零线或地线时，电流ii＝0，被测电缆内部第i芯为火线时，电流

芯数为n的被测电缆在z轴方向的合成磁场强度

其中μ0为真空磁导率，r为空间中任意一点到单根导线的径向距离，i0为单根导线的电流，x、z为以通过永磁体5质心并垂直于永磁体5上表面的直线为z轴、以通过永磁体5质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立的坐标系内任意一点的坐标，xi、zi为电路部分7的输出电压u最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，n为被测电缆的芯数，i0为被测电缆内部电流的幅值，ω为被测电缆内部为交流电流时电流的角频率，t为时间，为被测电缆内部第i芯的初相位。

单根导线在z轴方向的磁场梯度为

芯数为n的被测电缆在z轴方向的合成磁场梯度为

单根导线对永磁体5产生的z轴方向的磁场力为

芯数为n的被测电缆对永磁体5产生的z轴方向的合成磁场力为

其中br为永磁体5剩余磁通量，v为永磁体5体积。

在合成磁场力fz的作用下，悬臂梁1的弯曲角度为

在起偏器2与检偏器3的作用下，光电转换元件4接收的光照度为

在线性工作范围内，光电转换元件4的输出电压为

其中e为悬臂梁1的弹性模量，i为悬臂梁1的横截面对弯曲中性轴的惯性矩，l为悬臂梁1的长度，h0为光源发出的光在通过起偏器2前瞬间的光照度，u0为光电转换元件4接收的光照度为h0时的输出电压。

光电转换元件4的输出电压u1经过电路部分7后：

对于直流电流，电路部分7的输出电压为u＝arccos(βu1-1)

对于交流电流，电路部分7的输出电压为

其中β为对电流检测装置调零后的比例系数，为被测电缆内部所有芯在永磁体5处的叠加交流信号的初相位。

代入已知参数后，对于直流电流，电路部分7的输出电压为：

其中，当被测电缆内部第i芯为零线时m＝1，当被测电缆内部第i芯为火线时m＝2。

代入已知参数后，对于对称负载下的交流电流，电路部分7的输出电压为：

以上参数均为已知量，化简如下：i0＝ksu

其中ks由悬臂梁1的结构与材料参数、被测电缆每一芯的坐标参数确定，均为已知量。

对于直流电流：

对于对称负载下的交流电流：

其中，当被测电缆内部第i芯为零线时m＝1，当被测电缆内部第i芯为火线时m＝2，a为被测电缆中零线与地线的总数。

应用例1：

首先以光电二极管作为光电转换元件4，用一根纵截面为u形的悬臂梁1检测双芯电缆中的直流电流为例，说明本发明的基本原理如下：

双芯电缆内部有一根火线和一根零线，它们的电流方向相反，如图12所示。

单根导线周围的磁场强度公式

单根导线周围的磁场强度在z轴方向的分量为

双芯电缆在z轴方向的合成磁场强度

双芯电缆内部零线的电流i1＝-i0，火线的电流i2＝i0。

其中μ0为真空磁导率，r为空间中任意一点到单根导线的径向距离，i0为单根导线的电流，ii为被测电缆内部第i芯的电流，x、z为以通过永磁体5质心并垂直于永磁体5上表面的直线为z轴、以通过永磁体5质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立的坐标系内任意一点的坐标，xi、zi为电路部分7的输出电压u最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，i0为被测电缆中电流的幅值。

单根导线在z轴方向的磁场梯度为

双芯电缆在z轴方向的合成磁场梯度为

单根导线对永磁体5产生的z轴方向的磁场力为

双芯电缆对永磁体5产生的z轴方向的合成磁场力为

通过计算fz的最优解可知，对于双芯电缆，当z轴为零线与火线的对称轴时，永磁体5受到的合成磁场力fz有最大值，如图12所示。为了提高灵敏度，本发明在z轴为零线与火线的对称轴时建立电磁场模型，这一位置可以通过使被测电缆与装置发生相对转动，到达使输出电流最大的位置以实现标定。

此时零线的截面中心在坐标系下的坐标为x1＝-r0，z1＝h；

此时火线的截面中心在坐标系下的坐标为x2＝r0，z2＝h。

其中r0为被测电缆内每一芯的半径，h为永磁体5的质心与封装8和上端盖9的接触面的垂直距离，br为永磁体5剩余磁通量，v为永磁体5体积。

在合成磁场力fz的作用下，悬臂梁1的弯曲角度为

在起偏器2与检偏器3的作用下，光电二极管4接收的光照度为

在线性工作范围内，光电二极管4的输出电压为

其中e为悬臂梁1的弹性模量，i为悬臂梁1的横截面对弯曲中性轴的惯性矩，l为悬臂梁1的长度，h0为光源发出的光在通过起偏器2前瞬间的光照度，u0为光电二极管接收的光照度为h0时的输出电压。

光电二极管4的输出电压u1经过电路部分7后：

电路部分7的输出电压为u＝arccos(βu1-1)

其中β为对电流检测装置调零后的比例系数。

以上参数均为已知量，化简如下：i0＝ksu

其中ks为电流检测装置的参数值，它由悬臂梁1的结构与材料参数、被测电缆每一芯的坐标参数确定。由此可见，电路部分7的输出电压u与被测电缆中电流的幅值i0呈线性关系。

应用例2：

以光电二极管作为光电转换元件4，用一根纵截面为u形的悬臂梁1检测四芯电缆中的三相交流电流为例，说明本发明的基本原理如下：

四芯电缆一般用于三相四线制的设备供电，电缆内部为三根火线和一根零线，三根火线中电流的幅值相等，相位各差120度，在对称负载下，零线电流为0，如图13所示。

单根导线周围的磁场强度公式

单根导线周围的磁场强度在z轴方向的分量为

四芯电缆在z轴方向的合成磁场强度

对于对称负载下的交流电流，四芯电缆内部三相火线的电流i1＝i0sinωt，i2＝i0sin(ωt+120°)，i3＝i0sin(ωt+240°)，零线电流i4＝0。

其中μ0为真空磁导率，r为空间中任意一点到单根导线的径向距离，i0为单根导线的电流，ii为被测电缆内部第i芯的电流，x、z为以通过永磁体5质心并垂直于永磁体5上表面的直线为z轴、以通过永磁体5质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立的坐标系内任意一点的坐标，xi、zi为电路部分7的输出电压u最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，i0为被测电缆中电流的幅值，ω为被测电缆内部为交流电流时电流的角频率，t为时间。

单根导线在z轴方向的磁场梯度为

四芯电缆在z轴方向的合成磁场梯度为

单根导线对永磁体5产生的z轴方向的磁场力为

四芯电缆对永磁体5产生的z轴方向的合成磁场力为

通过计算fz的最优解可知，对于四芯电缆，如果本装置中两个半圆柱形槽802与901的半径r＝10mm,永磁体5的质心与封装8和上端盖9的接触面的垂直距离h＝23mm，那么在三相火线的对称轴与x轴成角为47°时，永磁体5受到的合成磁场力fz在一个周期内的幅值为最大值，如图13所示。为了提高灵敏度，本发明根据47°方向上的叠加磁场来建立电磁场模型，47°角可以通过使被测电缆与电流检测装置发生相对转动，到达输出电流值最大的位置以实现标定。

此时三相火线的截面中心在坐标系下的坐标为

其中r0为被测电缆内每一芯的半径，h为永磁体5的质心与封装8和上端盖9的接触面的垂直距离，br为永磁体5剩余磁通量，v为永磁体5体积。

在合成磁场力fz的作用下，悬臂梁1的弯曲角度为

在起偏器2与检偏器3的作用下，光电二极管4接收的光照度为

在线性工作范围内，光电二极管4的输出电压为

其中e为悬臂梁1的弹性模量，i为悬臂梁1的横截面对弯曲中性轴的惯性矩，l为悬臂梁1的长度，h0为光源发出的光在通过起偏器2前瞬间的光照度，u0为光电二极管接收的光照度为h0时的输出电压。

光电二极管4的输出电压u1经过电路部分7后：

电路部分7的输出电压为

其中β为对电流检测装置调零后的比例系数，为被测电缆内部所有芯在永磁体5处的叠加交流信号的初相位，k1,k2,k3均为常数，它们的表达式为：

以上参数均为已知量，化简如下：i0＝ksu

其中ks为电流检测装置的参数值，它由悬臂梁1的结构与材料参数、被测电缆每一芯的坐标参数确定。由此可见，电路部分7的输出电压u与被测电缆中电流的幅值i0呈线性关系。

应用例3：

以光电二极管作为光电转换元件4，用一根纵截面为u形的悬臂梁1检测五芯电缆中的三相交流电流为例，说明本发明的基本原理如下：

五芯电缆用于三相五线制的设备供电，其中的五芯为三根火线、一根零线和一根地线，如图14所示。在对称负载下，零线电流为0。而地线由于接地，其电流也为0。

单根导线周围的磁场强度公式

单根导线周围的磁场强度在z轴方向的分量为

五芯电缆在z轴方向的合成磁场强度

对于对称负载下的交流电流，五芯电缆内部三相火线的电流i1＝i0sinωt，i2＝i0sin(ωt+120°)，i3＝i0sin(ωt+240°)，零线电流i4＝0，地线电流i5＝0。

其中μ0为真空磁导率，r为空间中任意一点到单根导线的径向距离，i0为单根导线的电流，ii为被测电缆内部第i芯的电流，x、z为以通过永磁体5质心并垂直于永磁体5上表面的直线为z轴、以通过永磁体5质心、垂直于z轴并正交于被测电缆的直线为x轴建立的坐标系内任意一点的坐标，xi、zi为电路部分7的输出电压u最大时，被测电缆内部第i芯在上述坐标系下的坐标，i0为被测电缆中电流的幅值，ω为被测电缆内部为交流电流时电流的角频率，t为时间。

单根导线在z轴方向的磁场梯度为

五芯电缆在z轴方向的合成磁场梯度为

单根导线对永磁体5产生的z轴方向的磁场力为

五芯电缆对永磁体5产生的z轴方向的合成磁场力为

通过计算fz的最优解可知，对于五芯电缆，如果本装置中两个半圆柱形槽802与901的的半径r＝10mm,永磁体5的质心与封装8和上端盖9的接触面的垂直距离h＝23mm，那么在三相火线的对称轴与x轴成角为58.4°时，永磁体5受到的合成磁场力fz在一个周期内的幅值为最大值，如图14所示。为了提高灵敏度，本发明根据58.4°方向上的叠加磁场来建立电磁场模型，58.4°角可以通过使被测电缆与电流检测装置发生相对转动，到达输出电流值最大的位置以实现标定。

此时三相火线的截面中心在坐标系下的坐标为

其中r0为被测电缆内每一芯的半径，h为永磁体5的质心与封装8和上端盖9的接触面的垂直距离，br为永磁体5剩余磁通量，v为永磁体5体积。

在合成磁场力fz的作用下，悬臂梁1的弯曲角度为

在起偏器2与检偏器3的作用下，光电二极管4接收的光照度为

在线性工作范围内，光电二极管4的输出电压为

其中e为悬臂梁1的弹性模量，i为悬臂梁1的横截面对弯曲中性轴的惯性矩，l为悬臂梁1的长度，h0为光源发出的光在通过起偏器2前瞬间的光照度，u0为光电二极管接收的光照度为h0时的输出电压。

光电二极管4的输出电压u1经过电路部分7后：

电路部分7的输出电压为

其中β为对电流检测装置调零后的比例系数，为被测电缆内部所有芯在永磁体5处的叠加交流信号的初相位，k1,k2,k3均为常数，它们的表达式为：

以上参数均为已知量，化简如下：i0＝ksu

其中ks为电流检测装置的参数值，它由悬臂梁1的结构与材料参数、被测电缆每一芯的坐标参数确定。由此可见，电路部分7的输出电压u与被测电缆中电流的幅值i0呈线性关系。

本发明提出的电流检测装置，其响应范围取决于悬臂梁1的固有频率，其灵敏度取决于悬臂梁1的结构、光电转换元件4的工作范围以及电路部分7的精度误差。而悬臂梁1的形状和尺寸、光电转换元件4的工作范围以及电路部分7的结构都是可以进行改进与调整的。通过对装置的优化，其响应范围可以继续扩大，其灵敏度可以继续提高。