[发明专利]一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置及方法

权利要求书

1.一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，其特征在于：双芯导线位于导线支撑端上方，导线扣盖包覆双芯导线并与所述导线支撑端固定连接，所述导线支撑端与底板固定连接，所述导线扣盖在两导线中心处附近为切线拟合结构设计；位于双芯导线两端分别设有两个悬臂梁传感器调节装置，一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的上端悬臂梁传感器，另一端的悬臂梁传感器调节装置外侧连接封装的下端悬臂梁传感器，所述封装的上端悬臂梁传感器位于双芯导线上方，所述封装的下端悬臂梁传感器位于双芯导线下方；所述悬臂梁传感器调节装置固定于底座上，由调节装置顶部旋钮、调节装置外壳、悬臂梁固定端滑块、丝杠、侧方刻度线组成；所述调节装置顶部旋钮固定于所述调节装置外壳顶端，通过丝杠与所述悬臂梁固定端滑块连接，所述调节装置顶部旋钮调节悬臂梁固定端滑块的位置；所述悬臂梁固定端滑块在丝杠上移动，所述丝杠固定于所述调节装置外壳内测，所述悬臂梁固定端滑块与封装的悬臂梁传感器连接，所述调节装置顶部旋钮可调节封装的悬臂梁传感器位于关于所述双芯导线中心对称位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，其特征在于：所述导线扣盖由螺栓及螺母固定于所述导线支撑端。

3.根据权利要求1所述的一种用于低频机械振动环境中无源电流检测的装置，其特征在于：所述封装的上端悬臂梁传感器与封装的下端悬臂梁传感器分别由封装外壳、永磁体、悬臂梁、压电片组成；所述永磁体固定连接于悬臂梁自由端处，所述压电片固定在悬臂梁上，且压电片极性关于Z轴对称，所述悬臂梁位于所述封装外壳内；所述封装的上端悬臂梁传感器的永磁体与所述封装的下端悬臂梁传感器的永磁体磁极方向相同，以保证待测导线通电时，所述悬臂梁弯曲方向同步朝向双芯导线或同步远离双芯导线。

4.一种用于低频机械振动环境中无源电流检测方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤(1)校准过程：将设备进行装配，并调节两调节装置顶部旋钮，保证两悬臂梁传感器关于双芯导线对称放置，确保悬臂梁传感器末端永磁体在双芯导线电流磁场梯度的线性区间内；将被测导线接入标准直流电流I₀，并由激振器引入1～50赫兹的低频机械振动进行校准测量；

双芯导线电流磁场梯度线性区间计算方法如下：

双线导线中垂线上电流磁场梯度公式：其中a为双芯导线中心与左右导线中心的距离，z为悬臂梁传感器末端永磁体质心距离双芯导线中心的纵向距离，I为电流大小；对备选区间的线性回归决定系数R2进行检测可以得电流磁场梯度线性区间；电磁力公式为：其中Br为永磁体剩余磁通量，V为永磁体体积；

步骤(2)双芯导线通入被测直流电流I，进行实际测量，被测电流I可通过与电流检测装置有关的参数和压电片输出电压V_p得到，过程如下：

以弹簧阻尼模型建立的两个压电悬臂梁传感器末端永磁体质心的振动微分方程如下：

式中：z₁和z₂分别为下端和上端悬臂梁传感器末端永磁体质心位移，z₀为下端和上端悬臂梁传感器末端永磁体质心无振动时距离双芯导线中心的纵向距离，γ为等效阻尼，为梁模型固有频率的平方，F₀为外界振动激励响应的力大小，w为外界振动的频率，G为永磁体重力，m为永磁体质量；

方程组的解简化后形式为：

式中A为电磁力影响系数，B为永磁体重力影响系数，C为外界振动力影响系数，并且实际情况下z₁和z₂非常小，压电片实际输出电压公式为：

式中：E_i：各层材料的弹性模量、E_p：压电片的弹性模量、I_i：各层材料的转动惯量、A_i：各层材料X-Y平面的横截面面积、Z_p：悬臂梁长度方向上压电片中心和梁中性轴平行距离、Z_i：悬臂梁长度方向上每层材料中心和中性轴平行距离、l：压电片长度、L_m：永磁体长度、d₃₁：横向压电常数、w_E：压电片的宽度、C_P：压电片的电容；

压电片2输出电压减去压电片1输出电压时有：

结果为2倍电磁力输出，消去了外界振动的影响，同时根据封装下端悬臂梁传感器及封装上端悬臂梁传感器内的压电片读出电压输出值即可求得双芯导线中电流的大小。