[发明专利]一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器

说明书

技术领域

本发明涉及声学技术领域，特别涉及一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器。

背景技术

高灵敏度、高分辨率、良好稳定性及可靠性的高性能电流检测技术研究在智能电网线路检测、电力冶金、轨道交通中供电安全预警与救援及工业自动化中电源继保等领域具有重要意义。现代电力系统向大容量、高压电、小型紧凑以及输配电系统自动化的发展方向，电流传感器在电力系统控制保护和监控中起到了枢纽作用，因此，现代电网的发展对电流传感器不仅提出了小型化、高可靠及稳定性的要求，还要求它具有高低压全隔离、抗电磁干扰性好、宽频带、无铁磁饱和以及灵敏度高等特点。目前成熟应用于电流检测的传感器技术主要有霍尔型与光纤型两种。

基于霍尔效应的霍尔型电流检测技术以其精度高、线性度好和快速响应等优点，在国内外电流传感领域占有主导地位。其基本原理如图1(a)所示，霍尔元件放置于磁芯开口气隙处，当导体有电流通过时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的感应磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，经过外围电路对电压信号进行检测分析得到导体电流的大小。这种检测技术已经广泛应用于UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大电流、电压等各个领域中。

光纤式电流传感器的基本原理是利用法拉第磁光效应，这种电流传感器具有高灵敏度、传感探头无需供电以及良好的稳定性等特点，其基本原理如图1(b)所示，由磁光材料制作的光纤环绕在通电导线上，通过光学调制器和接收处理终端测量光波在通过光纤时，其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。目前光纤式电流传感器在输电线网检测、变电站监测以及工业自动化电源继保中得到了部分应用。

但是这两种技术的电流传感器在实际应用中面临了一些亟待解决的瓶颈问题：第一，由于自身的构造结构原因，霍尔电流传感器需要外加电源，通过外围信号放大及处理等电路将传感器信号输送到智能设备端，这就无法避免因电源供电影响，高低压及交直流电路干扰影响等降低霍尔电流传感器的检测性能；第二，检测精度容易受到由于霍尔元件本身的不稳定导致的偏移电流以及温度漂移的影响；第三，由于利用原边导线的电磁场原理，传感器附件外部电流、导线距离、传感器形状以及结构屏蔽性都影响到了传感器的抗干扰性；第四，存在着体积较大，绝缘困难以及输出端不能开路等问题，虽然光纤电流传感器不存在供电绝缘的问题，但其输出灵敏度受外接温度、光纤本身的双折射及入射偏振面位置的影响极大，并且实际应用时，组建通信网络需要铺设大量光纤路网，无论从传感器自身还是从工程施工的角度都存在极大的困难，同时光学调制器和接收处理终端精密度高，技术难度较大，系统搭建成本很高；第五，随着输电线网及工业生产的智能化传感器网络的发展，为保证能够及时检测定位故障源，对于传感器的定位与识别要求越来越高，虽然霍尔传感器与光纤传感器也逐步加入ZigBee等无线模块，但也增加了供电问题并影响了系统的稳定性；第五，由于霍尔传感器与光纤传感器自身材料构成的原因，环境温度的变化会导致测量结果出现漂移和偏差，灵敏度降低，整体温度稳定性较差。即使目前已对霍尔和光纤传感器加入温度补偿电路或调整光学元件结构达到一定的温度稳定性，但从系统总体构成及实现上又增加了复杂度，导致系统整体稳定性同样受到影响。

2000年，德国弗莱堡大学的Leonhard Reindl和R.Steindl等人将声表面波技术与磁阻效应结合应用于电流测量中，目前已经实验获得了在-800A到800A的大电流检测范围内检测精度为5％的无线无源基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器。但是从目前的实验报道来看，这种声表面波与磁阻效应结合的电流检测技术在灵敏度与温度稳定性等方面遇到一些瓶颈问题。首先，基于磁阻效应的磁敏材料在大电流检测中磁场敏感度不够高，传感器采用声表面波器件时，域幅度响应作为传感量，导致电流检测的灵敏度及精度均不高。此外，此电流检测技术缺乏环境温度变化的补偿方法、物理功能结构的优化设计以及传感机理模型的系统性认知，导致此种技术离实用化距离甚远。

发明内容

本发明的目的是针对现有电流传感器存在的灵敏度低、稳定性差及不易实施的缺陷，设计了一种具有较高检测灵敏度、良好温度稳定性的基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，提高了电流检测的灵敏度、精度及稳定性，使声表面波技术较为容易实施。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，该基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器包括：